NanoEducator. Ó åáíîå ïîñîáèå. Áàçîâûé ïðèáîð äëÿ íàó íîîáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèè

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "NanoEducator. Ó åáíîå ïîñîáèå. Áàçîâûé ïðèáîð äëÿ íàó íîîáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèè"

Транскрипт

1 NanoEducator ìîäåëü ÑÇÌÓ-Ë5 Áàçîâûé ïðèáîð äëÿ íàó íîîáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèè Ó åáíîå ïîñîáèå Ðîññèÿ, , Ìîñêâà, ÍÈÈÔÏ, ÇÀÎ ÍÒ-ÌÄÒ ò.: +7(095) ô.: +7(095)

2 ПРОЧТИТЕ Замечание: Комплект поставки Вашего прибора может отличаться от описанного в данном руководстве. Обратитесь к спецификации Вашего контракта за более точной информацией. Некоторые названия, упомянутые в данном руководстве, могут являться зарегистрированными торговыми марками. Авторское право: Никакая часть данного руководства, ни для каких целей не может быть воспроизведена или передана в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование и видеозапись, без письменного разрешения фирмы НТ-МДТ. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ При работе с устройством для травления игл, соблюдайте правила безопасности работы с химическими реактивами. Будьте осторожны при работе с зондом! Соблюдайте правила безопасности работы с колющими предметами. Соблюдайте правила безопасности работы с электроприборами. Перед началом работы с прибором обеспечьте его заземление. Перед присоединением/отсоединением разъемов, выключите прибор. Отсоединение или присоединение разъемов во время работы прибора может привести к повреждению электронной схемы и выходу прибора из строя. Не разбирайте самостоятельно никакие части прибора! Разбирать изделия разрешено только специалистам, сертифицированным фирмой «НТ-МДТ». Не подключайте к прибору дополнительные устройства без консультации со специалистами фирмы «НТ-МДТ». Оберегайте прибор от сильных механических воздействий. Помните, что, что толщина стенок сканера составляет всего 0,5 мм. Оберегайте прибор от воздействия предельных температур, попадания жидкости. При транспортировке вкрутите транспортировочный винт на нижней части основания измерительной головки (транспортировочный винт входит в комплект поставки). Обеспечьте упаковку прибора, исключающую повреждение при транспортировке. КОМПЛЕКТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ Руководство пользователя Учебное пособие

3 СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ, СПЕКТРОСКОПИЯ И ЛИТОГРАФИЯ Учебное пособие В данном учебном пособии представлены лабораторные работы, посвященные изучению методов сканирующей зондовой микроскопии, включая спектроскопические измерения и процессы литографии, а также их применение для исследований и модификации микро- и наноструктур. Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов и магистартуры, обучающихся по специальностям: "Нанотехнология в электронике", "Наноматериалы", "Микроэлектроника и твердотельная электроника", "Микросистемная техника". Лабораторные работы проводятся на базе сканирующего зондового микроскопа NanoEducator, разработанного специально для учебно-научных целей компанией «НТ-МДТ». В ходе подготовки к лабораторной работе каждый студент должен понять цель работы, изучить содержание работы и основные физические закономерности используемых или исследуемых явлений. Результаты экспериментов представляются на проверку преподавателю. К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, изучившие: - правила техники безопасности при работе с электрическими установками до 1000 вольт, - основные правила безопасности. Лабораторные работы разрабатывали: м.н.с. А.В. Круглов, с.н.с. к.ф-м.н. Д.О. Филатов (Нижегородский Государственный Университет им. Н.И. Лобачевского, Научно-образовательный центр «Физика твердотельных наноструктур»). д.ф-м.н., проф. А.О. Голубок (Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики), к.ф-м.н. М.Л. Фельштын, к.ф-м.н. О.М. Горбенко, с.н.с. И.Д. Сапожников. Компания «НТ МДТ» благодарит за целевую и финансовую поддержку Министерство Образования и Науки РФ, Фонд Поддержки Образования и Науки (Алферовский фонд) и Фонд Содействия Развитию Малых Форм Предприятий в Научно-Технической Сфере.

if ($this->show_pages_images && $page_num < DocShare_Docs::PAGES_IMAGES_LIMIT) { if (! $this->doc['images_node_id']) { continue; } // $snip = Library::get_smart_snippet($text, DocShare_Docs::CHARS_LIMIT_PAGE_IMAGE_TITLE); $snips = Library::get_text_chunks($text, 4); ?>

4 Оглавление 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Цели работы Информация для преподавателя Содержание работы Методические указания Техника безопасности Задание Контрольные вопросы Литература ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ Цели работы Информация для преподавателя Содержание работы Методические указания Техника безопасности Задание Контрольные вопросы Литература ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО- СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ Цели работы Информация для преподавателя Содержание работы Методические указания Техника безопасности Задание Контрольные вопросы Литература...58

5 Оглавление 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Цели работы Информация для преподавателя Содержание работы Методические указания Техника безопасности Задание Контрольные вопросы Литература СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ Цели работы Информация для преподавателя Содержание работы Методические указания Техника безопасности Задание Контрольные вопросы Литература ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ Цель работы Содержание работы Задание Оборудование и принадлежности Методические указания Контрольные вопросы Литература

6 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Одной из важнейших задач современной физики является исследование поверхности твердых тел. Необходимость в этом возникла, с одной стороны, в связи с переходом современной технологии изготовления полупроводниковых приборов на субмикронный уровень. Поверхность чипа, а не его объем, стала играть определяющую роль при выполнении им логических функций, и при взаимодействии с другими элементами. Поверхность и происходящие на ней явления представляют интерес и с точки зрения фундаментальной физики, поскольку атомная структура кристалла, то есть расположение и свойства его решеточных слоев вблизи поверхности совершенно иное, чем в объеме. Традиционные методы исследования поверхности, такие как рентгеновская или ионная дифракция, дифракция медленных электронов, электронная оже-спектроскопия, позволяют получать усредненную по поверхности образца картину расположения атомов, но не дают возможности своими глазами увидеть атомную структуру. Все эти методы, работающие только в вакууме, позволяет разрешать детали нанометрового масштаба, но при этом возможно повреждение образца пучком высокоэнергетических частиц. Кроме того, они не позволяет непосредственно получать информацию о высоте поверхностных деталей. Частично эти проблемы удалось решить с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). В начале 1980-х годов СТМ ослепляла мир первыми экспериментально полученными изображениями поверхности кремния с атомным разрешением. Однако новые, практически неограниченные возможности открылись с изобретением атомного силового микроскопа (АСМ), с помощью которого стало возможным изучать рельеф не только проводящих, но и диэлектрических материалов. С тех пор области применения сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) значительно расширились. В настоящее время СЗМ используется в большом многообразии дисциплин, как в фундаментальных научных исследованиях, так и прикладных высокотехнологичных разработках. Многие научно-исследовательские институты страны оснащаются аппаратурой для зондовой микроскопии. В связи с этим постоянно растет спрос на высококлассных специалистов. Для его удовлетворения фирмой НТ-МДТ (г. Зеленоград, Россия) разработана и создана специализированная учебно-научная лаборатория сканирующей зондовой микроскопии NanoEducator. СЗМ NanoEducator специально разработана для проведения лабораторных работ студентов. Приборы ориентированы на студенческую аудиторию: они полностью управляются с помощью компьютера, имеет простой и наглядный интерфейс, анимационную поддержку, предполагают поэтапное освоение методик, отсутствие сложных настроек и недорогие расходные материалы. В данной лабораторной работе Вы рассмотрите основы сканирующей зондовой микроскопии, изучите конструкцию и принципы работы прибора NanoEducator, а так же под присмотром преподавателя получите свое первое СЗМ изображение поверхности твердого тела и научитесь основам обработки и представления экспериментальных результатов. 5

7 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 1.1. Цели работы 1. Изучение основ сканирующей зондовой микроскопии; 2. Изучение конструкции и принципов работы прибора NanoEducator; 3. Получение первого СЗМ изображения; 4. Получение навыков обработки и представления экспериментальных результатов Информация для преподавателя* Получение изображения выполняется на одном приборе под присмотром преподавателя, обработка экспериментальных данных каждым студентом индивидуально. Практическая часть работы выполняется на одном занятии и занимает 4 часа. Образец для исследования: тестовый образец TGZ3 или любой другой по выбору преподавателя. До начала работы необходимо подобрать зонд с наиболее характерной амплитудно-частотной характеристикой (одиночный симметричный максимум), получить изображение поверхности исследуемого образца Содержание работы - Основы сканирующей зондовой микроскопии (принципы СЗМ, основные компоненты СЗМ и их назначение); - Знакомство с конструкцией СЗМ NanoEducator (общая конструкция, универсальный датчик туннельного тока и силового взаимодействия, СЗМ сканер, механизм подвода зонда к образцу (вход в обратную связь, параметры Scanner Protraction и Probe Oscillation Amplitude)). Конструкция и принципы действия зондового датчика и сканера прибора NanoEducator объясняются на анимационных клипах; - Знакомство с программой управления прибором NanoEducator (режим получения и режим обработки данных, работа со сканирующим силовым микроскопом (ССМ) и сканирующим туннельным микроскопом (СТМ)); - Получение первого СЗМ изображения в режиме ССМ (установка образца, установка зонда (зондового датчика), позиционирование зонда относительно образца (выбор места сканирования, первоначальный подвод зонда к образцу), быстрое сближение, поиск резонанса и установление рабочей частоты, вход в обратную связь (Landing, Rising)); - Выбор параметров скана (критерии выбора размера скана, числа точек на линии и линий в скане, скорости сканирования, параметры цепи обратной связи (Feed Back Loop Gain)), получение СЗМ изображения; - Обработка и анализ полученных изображений. Устранение из изображения артефактов сканирования. Способы графического представления изображений. Количественная характеризация СЗМ изображений. Отчет по работе должен содержать общие сведения о методе СЗМ, а также описание конструкции и принципов работы прибора NanoEducator. В практической части студент должен отразить полученные навыки обработки и анализа экспериментальных результатов. * Прибор NanoEducator полноценно работает только в учетной записи пользователя «Администратор компьютера». 6

8 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Основы сканирующей зондовой микроскопии Для детального исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Микроскопия, как средство получения увеличенного изображения, зародилась еще XV в. когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых. В конце XVII в. Антонио ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий [Лит. 1-1]. Уже в 20 веке были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков [Лит. 1-2]. Во всех описанных методах применяется следующий принцип: освещение исследуемого объекта потоком частиц и его последующее преобразование. В сканирующей зондовой микроскопии использован другой принцип вместо зондирующих частиц в ней используется механический зонд, игла [Лит. 1-3]. Образно выражаясь, можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ ощупывается. Другим важным принципом, отраженным в названии метода СЗМ, является принцип сканирования, т.е. получение не усредненной информации об объекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии) перемещение зонда и считывание информации в каждой точке. Общая конструкция сканирующего зондового микроскопа СЗМ состоит из следующих основных компонентов (Рис. 1-1): 1- зонд; 2 образец; 3 пьезоэлектрические двигатели x, y, z для прецизионного перемещения зонда над поверхностью исследуемого образца; 4 генератор развертки, подающий напряжения на пьезодрайвы x и y, обеспечивающие сканирование зонда в горизонтальной плоскости; 5 электронный сенсор, детектирующий величину локального взаимодействия между зондом и образцом; 6 компаратор, сравнивающий текущий сигнал в цепи сенсора V(t) с изначально заданным VS, и, при его отклонении, вырабатывающий корректирующий сигнал Vfb; 7 электронная цепь обратной связи, управляющая положением зонда по оси z; 8 компьютер, управляющий процессом сканирования и получением изображения 9. x y z ЭС 7 4 ОС V(t) V fb V S Рис Общая схема сканирующего зондового микроскопа. 1- зонд; 2 образец; 3 пьезоэлектрические двигатели x, y, z; 4 генератор напряжения развертки на x, y пьезокерамики; 5 электронный сенсор; 6 компаратор; 7 электронная цепь обратной связи; 8 компьютер; 9 изображение z(x,y) 7

9 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Виды сенсоров В основе сканирующей зондовой микроскопии лежит детектирование локального взаимодействия, возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении до расстояния ~λ, где λ - характерная длина затухания взаимодействия «зонд-образец». В зависимости от природы взаимодействия «зонд-образец» различают: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, детектируется туннельный ток), сканирующий силовой микроскоп (ССМ, детектируется силовое взаимодействие), ближнепольный сканирующий оптический микроскоп (БСОМ, детектируется электромагнитное излучение) и т.п. Сканирующая силовая микроскопия в свою очередь подразделяется на атомно-силовую микроскопию (АСМ), магнитно-силовую микроскопию (МСМ), электро-силовую микроскопию (ЭСМ) и другие, в зависимости от вида силового взаимодействия. Двумя основными методами зондовой микроскопии, как уже было сказано во введении, являются СТМ и АСМ. При измерении туннельного тока в туннельном сенсоре (Рис. 1-2) используется преобразователь ток-напряжение (ПТН), включенный в цепь протекания тока между зондом и образцом. Возможны два варианта включения: с заземленным зондом, когда напряжение смещения подается на образец относительно заземленного зонда или с заземленным образцом, когда напряжение смещения прикладывается к зонду относительно образца. I d зонд I R ос ПТН V + V out образец Рис Схема туннельного сенсора Традиционным датчиком силового взаимодействия является кремниевая микробалка, консоль или кантилевер (от англ. cantilever - консоль) с оптической схемой регистрации величины изгиба кантилевера, возникающего вследствие силового взаимодействия между образцом и зондом, расположенным на конце кантилевера (Рис. 1-3). Рис Схема силового сенсора 8

10 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Различают контактный, неконтактный и прерывисто-контактный («полуконтактный») способы проведения силовой микроскопии. Использование контактного способа предполагает, что зонд упирается в образец. При изгибе кантилевера под действием контактных сил отраженный от него луч лазера смещается относительно центра квадрантного фотодетектора. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора. При использование неконтактного способа зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. Силы притяжения и их градиенты слабее отталкивающих контактных сил. Поэтому для их детектирования обычно используется модуляционная методика. Для этого с помощью пьезовибратора кантилевер раскачивается по вертикали на резонансной частоте. Вдали от поверхности амплитуда колебаний кантилевера имеет максимальную величину. По мере приближения к поверхности вследствие действия градиента сил притяжения резонансная частота колебаний кантилевера изменяется, при этом уменьшается амплитуда его колебаний. Эта амплитуда регистрируется с помощью оптической системы по относительному изменению переменной освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора. При «полуконтактном» способе измерений также применяется модуляционная методика измерения силового взаимодействия. В «полуконтактном» режиме зонд частично касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания. Существуют и другие, более простые, способы детектирования силового взаимодействия, при которых происходит прямое преобразование силового взаимодействия в электрический сигнал. Один из таких способов основан на использовании прямого пьезоэффекта, когда изгиб пьезоматериала под действием силового взаимодействия приводит к появлению электрического сигнала. Пьезоэлектрический двигатель. Сканеры Для контролируемого перемещения иглы на сверхмалых расстояниях в СЗМ используются пьезоэлектрические двигатели. Их задача обеспечить прецизионное механическое сканирование зондом исследуемого образца путем перемещения зонда относительно неподвижного образца или перемещения образца относительно неподвижного зонда. Работа большинства пьезоэлектрических двигателей, применяемых в современных СЗМ, основана на использовании обратного пьезоэффекта, который заключается в изменении размеров пьезоматериала под действием электрического поля. Основой большинства применяемых в СЗМ пьезокерамик является состав Pb(ZrTi)O 3 (цирконат-титанат свинца, ЦТС) [Лит. 1-4] с различными добавками. Удлинение закрепленной с одного конца пьезопластинки определяется выражением: U l = l d 31, h где l длина пластины, h - толщина пластины, U - электрическое напряжение, приложенное к электродам, расположенным на гранях пьезопластины, d 31 - пьезомодуль материала. 9

11 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Существует много типов и форм, в которых выпускаются пьезокерамические двигатели. Каждый имеет свой уникальный пьезомодуль от 0,1 до 300 нм/в. Так, керамика с коэффициентом расширения 0,1 нм/в позволяет получить перемещение 0,1 Å при приложении напряжения 100 mv, что достаточно для получения атомного разрешения. Для получения больших диапазонов сканирования (до нескольких сотен микрон) используется пьезокерамика с большими значениями пьезомодуля. Конструкции из пьезокерамик, обеспечивающие перемещение по трем координатам x, y (в латеральной плоскости образца) и z (по вертикали), называются «сканерами». Существует несколько типов сканеров, наиболее распространенными из которых являются треногий и трубчатый (Рис. 1-4). образец y-пьезоэлемент жесткая рама z-пьезоэлемент x-пьезоэлемент Рис Основные конструкции сканеров: а) треногий, б) трубчатый В треногом сканере перемещения по трем координатам обеспечивают расположенные в ортогональную структуру три независимые пьезокерамики. Трубчатые сканеры работают посредством изгиба полой пьезоэлектрической трубки в латеральной плоскости и удлинения или сжатия трубки по оси z. Электроды, управляющие перемещениями трубки в x и y направлениях, размещаются в виде четырех сегментов по наружной поверхности трубки (Рис. 1-4 б). Для изгиба трубки в направлении X, на +X керамику подается напряжение для удлинения одной из ее сторон. Тот же самый принцип используется для задания движения в направлении Y. Смещения в X и Y направлениях пропорциональны приложенному напряжению и квадрату длины трубки. Движение в Z направлении генерируется подачей напряжения на электрод в центре трубки. Это приводит к удлинению всей трубки пропорционально ее длине и приложенному напряжению. Процесс сканирования поверхности в СЗМ (Рис. 1-5) имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электроннолучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, подаваемых с генератора развертки (обычно, цифро-аналогового преобразователя). Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе. 10

12 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Y N Y... обратный ход сканера прямой ход сканера N X X Рис Схематическое изображение процесса сканирования К числу основных параметров, выбираемых перед началом сканирования, относятся: - размер скана; - число точек на линии N X и линий в скане N Y, определяющие шаг сканирования ; - скорость сканирования. Параметры сканирования выбираются исходя из предварительных данных (размера характерных поверхностных особенностей), которые имеются у исследователя об объекте исследования. При выборе размера скана необходимо получить наиболее полную информацию о поверхности образца, т.е. отобразить наиболее характерные особенности его поверхности. Например, при сканировании дифракционной решетки с периодом 3 мкм необходимо отобразить хотя бы несколько периодов, т.е. размер скана должен составлять мкм. В случае если расположение особенностей на поверхности исследуемого объекта неоднородно, то для достоверной оценки необходимо провести сканирование в нескольких отстоящих друг от друга точках на поверхности образца. При отсутствии информации об объекте исследования сначала, как правило, проводят сканирование в области, близкой к максимально доступной для отображения, с целью получения обзорной информации о характере поверхности. Выбор размера скана при повторном сканировании осуществляют исходя из данных, полученных на обзорном скане. Число точек сканирования (N X, N Y ) выбирается таким образом, чтобы шаг сканирования (расстояние между точками, в которых производится считывание информации о поверхности) был меньше характерных ее особенностей, иначе произойдет потеря части информации, заключенной между точками сканирования. С другой стороны, выбор излишнего количества точек сканирования приведет к увеличению времени получения скана. Скорость сканирования определяет скорость движения зонда между точками, в которых производится считывание информации. Излишне большая скорость может привести к тому, что система обратной связи не будет успевать отводить зонд от поверхности, что приведет к неправильному воспроизведению вертикальных размеров, а так же к повреждению зонда и поверхности образца. Малая скорость сканирования приведет к увеличению времени получения скана. 11

13 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Система обратной связи В процессе сканирования зонд может находиться над участками поверхности, имеющими различные физические свойства, в результате чего величина и характер взаимодействия зонд-образец будут изменяться. Кроме того, если на поверхности образца есть неровности, то при сканировании будет изменяться и расстояние Z между зондом и поверхностью, соответственно будет изменяться и величина локального взаимодействия. В процессе сканирования производится поддержание постоянной величины локального взаимодействия (силы или туннельного тока) с помощью системы отрицательной обратной связи. При приближении зонда к поверхности сигнал сенсора возрастает (см. Рис. 1-1). Компаратор сравнивает текущий сигнал сенсора с опорным напряжением V s и вырабатывает корректирующий сигнал V fb, используемый в качестве управляющего для пьезопривода, который отводит зонд от поверхности образца. Сигнал для получения изображения топографии поверхности берется при этом из канала z-пьезопривода. На Рис. 1-6 показана траектория движения зонда относительно образца (кривая 2) и образца относительно зонда (кривая 1) при сохранении постоянной величины взаимодействия зонд-образец. Если зонд оказывается над ямкой или областью, где взаимодействие слабее, то образец приподнимается, в противном случае - образец опускается. Z Z Z Z Рис Траектория относительного движения зонда и образца в процессе поддержания системой обратной связи постоянного локального взаимодействия Отклик системы обратной связи на возникновение сигнала рассогласования Vfb=V(t) V S определяется константой цепи обратной связи K (в приборе NanoEducator - Feed Back Loop Gain) или несколькими такими константами. Конкретные значения K зависят от особенностей конструкции конкретного СЗМ (конструкции и характеристик сканера, электроники), режима работы СЗМ (размера скана, скорости сканирования и т.п.), а также особенностей исследуемой поверхности (степень шероховатости, масштаб особенностей топографии, твердость материала и пр.). В целом, чем больше значение K тем точнее цепь обратной связи отрабатывает черты сканируемой поверхности и тем достовернее данные, получаемые при сканировании. Однако при превышении некоторого критического значения K система обратной связи проявляет склонность к самовозбуждению, т.е. на линии скана наблюдается зашумленность. 12

14 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Формат СЗМ данных, способы обработки и представления результатов эксперимента Информация, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, хранится в виде СЗМ кадра двумерного массива целых чисел Zij (матрицы). Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования. Координаты точек поверхности вычисляются с помощью простого умножения соответствующего индекса на величину расстояния между точками, в которых производилось считывание информации. Как правило, СЗМ кадры представляют собой квадратные матрицы, имеющие размер 200x200 или 300х300 элементов. Визуализация СЗМ кадров производится средствами компьютерной графики, в основном, в виде двумерных яркостных (2D) и трехмерных (3D) изображений. При 2D визуализации каждой точке поверхности Z=f(x,y) ставится в соответствие тон определенного цвета в соответствии с высотой точки поверхности (Рис. 1-7 а). При 3D визуализации изображение поверхности Z=f(x,y) строится в аксонометрической перспективе с помощью пикселей или линий. Наиболее эффективным способом раскраски 3D изображений является моделирование условий подсветки поверхности точечным источником, расположенным в некоторой точке пространства над поверхностью (Рис. 1-7 б). При этом удается подчеркнуть отдельные малые особенности рельефа. a) b) Рис Способы графического представления СЗМ-изображений: а) 2D, б) 3D с боковой подсветкой СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, содержат также много побочной информации, искажающей данные о морфологии и свойствах поверхности. На Рис. 1-8 схематически представлены возможные искажения в СЗМ изображениях поверхности, обусловленные неидеальностью аппаратуры и внешними паразитными воздействиями [Лит. 1-5]. 13

15 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Рис Возможные искажения в СЗМ изображениях СЗМ изображения, как правило, содержат постоянную составляющую, которая не несет полезной информации о рельефе поверхности, а отражает точность подвода образца в середину динамического диапазона перемещений сканера по оси Z. Постоянная составляющая удаляется из СЗМ кадра программным способом. Изображения поверхности, получаемые с помощью зондовых микроскопов, как правило, имеют общий наклон. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, наклон может появляться вследствие неточной установки образца относительно зонда или неплоскопараллельности образца; во-вторых, он может быть связан с температурным дрейфом, который приводит к смещению зонда относительно образца; в-третьих, он может быть обусловлен нелинейностью перемещений пьезосканера. На отображение наклона тратится большой объем полезного пространства в СЗМ кадре, так что становятся не видны мелкие детали изображения. Для устранения данного недостатка производят операцию вычитания постоянного наклона (левелинга) (Рис. 1-9). Измеренный Z-диапазон интересующая топография наклон образц До вычитания постоянного наклона Интересующий Z-диапазон После вычитания постоянного наклона Рис Устранение постоянного наклона из СЗМ-изображения 14

16 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Неидеальность свойств пьезосканера приводит к тому, что СЗМ изображение содержит ряд специфических искажений. В частности, поскольку движение сканера в плоскости образца влияет на положение зонда над поверхностью (по оси Z), СЗМ изображения представляют собой суперпозицию реального рельефа и некоторой поверхности второго (а часто и более высокого) порядка. Для устранения искажений такого рода методом наименьших квадратов находится аппроксимирующая поверхность второго порядка, имеющая минимальные отклонения от исходной поверхности, и затем данная поверхность вычитается из исходного СЗМ изображения. Шумы аппаратуры, нестабильности контакта зонд-образец при сканировании, внешние акустические шумы и вибрации приводят к тому, что СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, имеют шумовую составляющую. Частично шумы СЗМ изображений могут быть удалены программными средствами с помощью применения различных фильтров. Конструкция сканирующего зондового микроскопа NanoEducator [Лит. 1-6] На Рис представлен внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator и обозначены основные элементы прибора, используемые при работе. На Рис представлена конструкция измерительной головки. На основании 1 расположены сканер 7 с держателем образца 6 и механизм подвода 2 на основе шагового двигателя. Подвод зонда 5, закрепленного на датчике взаимодействия 4, к образцу можно также осуществлять с помощью винта ручного подвода 3. Предварительный выбор места исследования на образце осуществляется с помощью винта 8. На Рис представлена функциональная схема прибора. NanoEducator состоит из измерительной головки, электронного блока, соединительных кабелей и управляющего компьютера. Видеокамера изображена как отдельное устройство, соединенное с компьютером. Сигнал от датчика взаимодействия после преобразования в предусилителе поступает в СЗМ контроллер. Управляющие сигналы от электронного блока поступают в измерительную головку. Управление электронным блоком осуществляется от компьютера через контроллер связи с PC. Рис (а) Внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator 1- основание, 2-держатель образца, 3- Датчик взаимодействия, 4-винт фиксации датчика, 5-винт ручного подвода, 6-винты перемещения сканера с образцом, 7-защитная крышка с видеокамерой 15

17 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Рис Конструкция СЗМ NanoEducator: 1- основание, 2- механизм подвода, 3- винт ручного подвода, 4- датчик взаимодействия, 5- винт фиксации датчика, 6- зонд, 7- держатель образца, 8- сканер, 9, 10 - винты перемещения сканера с образцом Измерительная головка Электронный блок Зондовый датчик предусилитель Блок обратной связи Синхродетектор Блок питания +12 В, +5 В Держатель образца Сканер Блок управления шаговым двигателем Усилитель высоковольтный X,Y Усилитель высоковольтный Z Шаговый двигатель Контроллер связи с PC ЦАП, АЦП, Регистры Блок питания +/-15 В Блок питания +250 В Видеокамера Персональный компьютер Рис Функциональная схема прибора. NanoEducator 16

18 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Универсальный датчик туннельного тока и силового взаимодействия В приборе NanoEducator применяется универсальный датчик туннельного тока и модуляционного силового взаимодействия. Датчик выполнен в виде пьезокерамической трубки длиной l=7 мм, диаметром d=1,2 мм и толщиной стенки h=0,25 мм, жестко закрепленной с одного конца. На внутреннюю поверхность трубки нанесен проводящий электрод. На внешнюю поверхность трубки нанесены два электрически изолированных полуцилиндрических электрода. К свободному концу трубки прикреплена вольфрамовая проволока диаметром 100 мкм (Рис. 1-13). Рис Конструкция универсального датчика прибора NanoEducator Свободный конец проволоки, использующейся в качестве зонда, заточен электрохимически, радиус закругления имеет величину 0,2 0,05 мкм. Зонд имеет электрический контакт с внутренним электродом трубки, соединенным с заземленным корпусом прибора. При измерении туннельного тока пьезотрубка играет роль жесткой пассивной консоли. Электрическое смещение прикладывается к образцу относительно заземленного зонда (Рис. 1-14). Преобразователь, изображенный на рисунке, вырабатывает электрическое напряжение Uт, обуславливающее протекание туннельного тока I и выдает напряжение U пропорциональное этому току в электронный блок. 17

19 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие зонд I Uт Образец I преобразователь U I Рис Принцип регистрации туннельного тока В качестве датчика силового взаимодействия одна часть пьезоэлектрической трубки используется как пьезовибратор, а другая как датчик механических колебаний (Рис. 1-15). К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте силового датчика. Амплитуда колебаний при большом расстоянии зондобразец максимальна. Как видно из Рис. 1-16, в процессе колебаний зонд отклоняется от равновесного положения на величину А о, равную амплитуде его вынужденных механических колебаний (она составляет доли микрона), при этом на второй части пьезоэлемента (датчике колебаний) возникает переменное электрическое напряжение, пропорциональное смещению зонда, которая и измеряется прибором. При приближении зонда к поверхности образца зонд начинает касаться образца в процессе колебаний. Это приводит к смещению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебаний датчика влево по сравнению с АЧХ, измеренной вдали от поверхности (Рис. 1-16). Так как частота вынуждающих колебаний пьезотрубки поддерживается постоянной и равной ω о в свободном состоянии, то при приближении зонда к поверхности амплитуда его колебаний уменьшается и становится равной A. Эта амплитуда колебаний регистрируется со второй половины пьезотрубки. 18

20 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Рис Принцип работы пьезоэлектрической трубки в качестве датчика силового взаимодействия А о А ω о ω Сканер Рис Изменение частоты колебаний силового датчика при приближении к поверхности образца Способ организации микроперемещений, использующийся в приборе NanoEducator, основан на использовании зажатой по периметру металлической мембраны, к поверхности которой приклеена пьезопластинка (Рис а). Изменение размеров пьезопластинки под действием управляющего напряжения будет приводить к изгибу мембраны. Расположив такие мембраны по трем перпендикулярным сторонам куба и соединив их центры металлическими направляющими, можно получить 3 х -координатный сканер (Рис б). Каждый пьезоэлемент 1, закрепленный на гранях куба 2, может передвигать прикрепленный к нему толкатель 3 в одном из трех взаимно перпендикулярных направлений X, Y или Z при приложении к нему электрического напряжения. Как видно из рисунка, все 19

21 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие три толкателя соединены в одной точке 4. С некоторым приближением можно считать, что эта точка перемещается по трем координатам X, Y, Z. К этой же точке прикрепляется стойка 5 с держателем образца 6. Таким образом, образец перемещается по трем координатам под действием трех независимых источников напряжения. В приборах NanoEducator максимальное перемещение образца составляет около мкм, что и определяет максимальную площадь сканирования. Z 6 2 X Y 1 3 а) б) 4 Рис Принцип действия (а) и конструкция (б) сканера прибора NanoEducator Механизм автоматизированного подвода зонда к образцу (захват обратной связи) Диапазон перемещений сканера по оси Z составляет около 10 мкм, поэтому перед началом сканирования необходимо приблизить зонд к образцу на это расстояние. Для этого предназначен механизм подвода, схема которого приведена на Рис Шаговый двигатель 1 при подаче на него электрических импульсов вращает винт подачи 2 и перемещает планку 3 с зондом 4, приближая или отдаляя его от образца 5, установленного на сканере 6. Величина одного шага составляет около 2 мкм Рис Схема механизма подвода зонда к поверхности образца 20

22 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Так как шаг механизма подвода значительно превосходит величину требуемого расстояния зонд-образец в процессе сканирования, то во избежание деформации зонда его подвод осуществляется при одновременной работе шагового двигателя и перемещениям сканера по оси Z по следующему алгоритму: Система обратной связи отключается и сканер втягивается, т. е. опускает образец в нижнее крайнее положение: 1. Механизм подвода зонда производит один шаг и останавливается. 2. Система обратной связи включается, и сканер плавно поднимает образец, одновременно производится анализ наличия взаимодействия зонд-образец. 3. Если взаимодействие отсутствует, процесс повторяется с пункта 1. Если во время вытягивания сканера вверх появится ненулевой сигнал, система обратной связи остановит движение сканера вверх и зафиксирует величину взаимодействия на заданном уровне. Величина силового взаимодействия, при котором произойдет остановка подвода зонда и будет происходить процесс сканирования, в приборе NanoEducator характеризуется параметром Amplitude Suppression (подавление амплитуды): A=A o. (1- Amplitude Suppression) Проведение СЗМ эксперимента [Лит. 1-6] После вызова программы NanoEducator на экране компьютера появляется главное окно (Рис. 1-19). Работу следует начать с пункта меню File и в нем выбрать Open или New либо соответствующие им кнопки на панели инструментов. Выбор команды File New означает переход к проведению СЗМ измерений, а выбор команды File Open означает переход к просмотру и обработке ранее полученных данных. Программа позволяет осуществлять просмотр и обработку данных параллельно с измерениями. Рис Главное окно программы NanoEducator 21

23 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие После выполнения команды File New на экране появляется окно диалога, которое позволяет выбрать или создать рабочий каталог, в который по умолчанию будут записываться результаты текущего измерения. По умолчанию в этом каталоге создается файл данных текущего измерения с именем ScanData.spm. Если данные последнего проведенного измерения не сохранены, то перед началом нового измерения файл ScanData.spm можно переименовать любым доступным способом. После закрытия окна диалога на экран выводится панель управления прибором (Рис. 1-20). В левой части панели управления прибором расположены кнопки выбора конфигурации СЗМ: сканирующий силовой микроскоп (ССМ) сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Рис Панель управления прибором Подготовка к ССМ измерениям заключается в выполнении следующих операций. Установка образца Внимание! Перед установкой образца необходимо снять датчик с зондом, чтобы не повредить зонд Предусмотрено два способа крепления образца: - на магнитном столике (в этом случае образец должен быть прикреплен к металлическому держателю). - на двусторонней липкой ленте. Внимание! Для установки образца на двусторонней липкой ленте, необходимо вывинтить держатель из стойки (чтобы не повредить сканер), а затем вновь ввинтить его до легкого упора. В случае магнитного крепления замена образца может производиться без отвинчивания держателя образца 22

24 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Установка зондового датчика Внимание! Устанавливать датчик с зондом следует всегда после установки образца. Эту операцию рекомендуется выполнять при верхнем положении держателя датчика. Датчик переводится в верхнее положение поворотом винта ручного подвода 1 по часовой стрелке (Рис. 1-21) Выбрав нужный зондовый датчик (держите датчик за металлические кромки основания) (см. Рис. 1-21), ослабьте винт фиксации зондового датчика 2 на крышке измерительной головки, вставьте датчик в гнездо держателя до упора, завинтите винт фиксации по часовой стрелке до легкого упора (Рис. 1-21). Рис Установка зондового датчика Выбор места сканирования Для выбора участка для исследовании на образце используйте винты перемещения двухкоординатного столика, расположенного в нижней части прибора. Предварительный подвод зонда к образцу Операция предварительного подвода не является обязательной для каждого измерения, необходимость ее выполнения зависит от величины расстояния между образцом и острием зонда. Операцию предварительного сближения желательно производить, если расстояние между кончиком зонда и поверхностью образца превышает 0,5-1 мм. При использовании автоматизированного подвода зонда к образцу с большого расстояния между ними процесс подвода займет очень много времени. Воспользуйтесь винтом ручного подвода для опускания зонда, контролируя расстояние между ним и поверхностью образца визуально (с помощью лупы). 23

25 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Построение резонансной кривой и установка рабочей частоты Эта операция обязательно выполняется в начале каждого эксперимента и пока она не произведена, переход к дальнейшим этапам измерений заблокирован. Кроме того, в процессе измерений иногда возникают ситуации, требующие повторного выполнения этой операции (например, при потере контакта). Окно поиска резонанса вызывается командой ADJUST RESONANCE. Выполнение этой операции предусматривает измерение амплитуды колебаний зонда при изменении частоты вынужденных колебаний, задаваемых генератором. Для этого необходимо нажать кнопку START (Рис. 1-22). a) b) Рис Окно режима поиска резонанса и установки рабочей частоты: а) автоматический режим, б) ручной режим. В режиме Automatic автоматически устанавливается частота генератора, равная частоте, при которой наблюдалась максимальная амплитуда колебаний зонда. График, демонстрирующий изменение амплитуды колебаний зонда в заданном диапазоне частот (Рис а), позволяет наблюдать форму резонансного пика. Если резонансный пик недостаточно ярко выражен, или амплитуда при частоте резонанса мала (менее 1V), то необходимо изменить параметры проведения измерений и повторно провести определение резонансной частоты. Для этого предназначен режим Manual. При выборе этого режима в окне Frequency Scanning появляется дополнительная панель (Рис б), позволяющая корректировать следующие параметры: - Амплитуда колебаний, задаваемых генератором (Oscillation Amplitude). Рекомендуется устанавливать эту величину минимальной (вплоть до нуля) и не более 50 мv. - Коэффициент усиления амплитуды (AM Gain). При недостаточной величине амплитуды колебаний зонда (<1 V) рекомендуется увеличить коэффициент AM Gain. Для начала операции поиска резонанса необходимо нажать кнопку START. Режим Manual позволяет вручную менять выбранную частоту, передвигая зеленый курсор на графике с помощью мыши, а также уточнить характер изменения амплитуды колебаний в узком диапазоне значений вокруг выбранной частоты (для этого необходимо установить переключатель Manual Regime в положение Fine и нажать кнопку START). 24

26 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Захват взаимодействия Для захвата взаимодействия выполняется процедура контролируемого сближения зонда и образца с помощью механизма автоматизированного подвода. Окно управления этой процедурой вызывается кнопкой панели управления прибором. При работе с ССМ эта кнопка становится доступной после выполнения операции поиска и установки резонансной частоты. Окно Scanning Force Microscopy, Landing (Рис. 1-23) содержит элементы управления подводом зонда, а также индикации параметров, которые позволяют анализировать ход выполнения процедуры. Рис Окно режима захвата взаимодействия В окне LANDING пользователь имеет возможность наблюдать за следующими величинами: - вытянутость сканера (Scaner Protraction) по оси Z относительно максимально возможной, принятой за единицу. Величина относительного удлинения сканера характеризуется уровнем заполнения левого индикатора цветом, соответствующим зоне, в которой находится сканер в текущий момент: зеленый цвет рабочая зона, синий вне рабочей зоны, красный сканер подошел слишком близко к поверхности образца, что может повлечь деформацию зонда. В последнем случае программа выдает звуковое предупреждение; - амплитуда колебаний зонда (Probe Oscillation Amplitude) относительно амплитуды его колебаний в отсутствии силового взаимодействия, принятой за единицу. Величина относительной амплитуды колебаний зонда показана на правом индикаторе уровнем его заполнения бордовым цветом. Горизонтальная метка на индикаторе Probe Oscillation Amplitude указывает на уровень при переходе через который производится анализ состояния сканера и его автоматический вывод в рабочее положение; - количество шагов (Steps), пройденных в заданном направлении (Probe Moving): Landing сближение, Rising удаление. 25

27 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие До начала процесса опускания зонда необходимо: 1. Убедиться, что в элементе Probe Moving выбран пункт Landing (сближение) 2. Проверить правильность установок параметров сближения: - Коэффициент усиления в цепи обратной связи Feed Back Loop Gain установлен на значении 3, - Нажать кнопку Set Interaction и убедиться, что параметр Amplitude Suppression в окне Set Interaction (Рис. 1-24) имеет величину около 0,3. Рис Окно установки величины взаимодействия зонда и образца 3. Нажать кнопку Normalize. Мерцание и красный цвет надписи на кнопке Normalize напоминают пользователю о необходимости выполнить это действие перед началом подвода. Выполнять операцию Normalize имеет смысл при отсутствии взаимодействия зонда и образца. После выполнения команды Normalize правый индикатор Probe Oscillation Amplitude целиком заполняется бордовым цветом. Это означает, что амплитуда колебаний зонда в данный момент принята за единицу. 4. Нажать на кнопку START. Индикатор Steps начинает отсчитывать пройденные шаги. После захвата взаимодействия появляется сообщение «ОК». Для вывода зонда из обратной связи и увеличения расстояния между зондом и образцом используется режим отвода зонда (Probe Moving: Rising). Для выполнения операции отвода необходимо выбрать направление движения Probe Moving: Rising и нажать кнопку START. Сканирование После выполнения процедуры подвода (Landing) и захвата взаимодействия становится доступным сканирование (кнопка в окне панели управления прибором). Нажав эту кнопку (вид окна сканирования представлен на Рис. 1-25), пользователь приступает непосредственно к проведению измерений и получению результатов измерений. 26

28 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА В режиме сканирования необходимо установить параметры сканирования. Эти параметры сгруппированы в правой части верхней панели окна Scanning. В первый раз после запуска программы они устанавливаются по умолчанию: Площадь сканирования Количество точек измерений по осям Скорость сканирования Путь сканирования Scan Area (Xnm*Ynm): 5000*5000 нм, X, Y : NX=100, NY=100, Velocity = 1000 nm/s. Path определяет направление сканирования. Программа позволяет выбирать направление оси быстрого сканирования (Х или Y). При запуске программы устанавливается Path=X+. После задания параметров сканирования необходимо нажать кнопку Apply для подтверждения ввода параметров и кнопку START для начала сканирования. Рис Окно управления процессом и отображения результатов сканирования ССМ 27

29 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Для сохранения результатов после окончания сканирования необходимо нажать кнопку Save Experiment и в появившемся окне диалога выбрать каталог и указать имя файла, при этом файл ScanData.spm, который служит временным файлом сохранения данных в процессе проведения измерений, будет переименован в заданное вами имя файла. По умолчанию файл будет сохранен в рабочем каталоге, назначенном перед началом измерений. Если не выполнить операцию сохранения результатов измерений, то данные последнего измерения будут сохранены в файле ScanData.spm, и новое измерение их уничтожит Методические указания Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользователя прибора Техника безопасности Прибор управляется напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей напряжением до 220 В Задание 1. Изучите на практике общую конструкцию прибора NanoEducator. 2. Познакомьтесь с программой управления прибором NanoEducator. 3. Получите первое СЗМ изображение под присмотром преподавателя. 4. Проведите обработку полученного изображения Контрольные вопросы 1. Назовите основные компоненты СЗМ и их назначение. 2. Назовите виды сенсоров и принципы их действия. 3. Объясните понятие пьезоэлектрического эффекта и принцип действия пьезоэлектрического двигателя. Опишите различные конструкции сканеров. 4. Опишите общую конструкцию прибора NanoEducator. 5. Объясните конструкцию зондового датчика туннельного тока/ силового взаимодействия прибора NanoEducator и принцип его действия. 6. Опишите механизм подвода зонда к образцу в приборе NanoEducator. Поясните параметры, определяющие силу взаимодействия зонда с образцом. 7. Объясните принцип сканирования и работы системы обратной связи. Расскажите о критериях выбора параметров сканирования. 28

30 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА 1.8. Литература Лит М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, Лит Э. Руска. Развитие электронного микроскопа и электронной микроскопии Нобелевские лекции по физике УФН, т. 154 (1988), вып.2, с Лит Г. Бинниг, Г. Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия от рождения к юности Нобелевские лекции по физике УФН, т. 154 (1988), вып.2, с Лит В.С. Эдельман. Сканирующая туннельная микроскопия (обзор). Приборы и техника эксперимента, 1989, 5, с.25. Лит В.Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. ИФМ РАН г. Н. Новгород, 2004 г с. Лит Руководство пользователя прибора NanoEducator. 29

31 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ 2.1. Цели работы 1. Изучение основ сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии; 2. Изучение принципов работы датчика туннельного тока в приборе NanoEducator и измерение его основных параметров; Получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока Информация для преподавателя Измерение основных параметров датчика туннельного тока, получение СТМ изображения и обработка экспериментальных данных выполняется каждым студентом индивидуально. Практическая часть работы выполняется на одном занятии и занимает 4 часа. Образец для исследования: дифракционная решетка покрытая пленкой золота или любой другой по выбору преподавателя. До начала работы необходимо измерить основных параметров датчика туннельного тока, подобрать зонды для каждого студента и получить изображение поверхности исследуемого образца на одном из приборов Содержание работы 1. Определение основных параметров датчика туннельного тока (коэффициент преобразования туннельного тока в напряжение, максимальный и минимальный измеряемый ток). Спектроскопия (зависимость туннельного тока от приложенного напряжения); 2. Получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока. Основы сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) первый из сканирующих зондовых микроскопов. Он был создан в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в научноисследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе. Пятью годами позже за это изобретение им присудили Нобелевскую премию по физике [Лит. 2-1]. СТМ был первым инструментом, который позволил получить изображение поверхности кремния с атомным разрешением. Прибор NanoEducator полноценно работает только в учетной записи пользователя «Администратор компьютера». 30

32 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ В основе СТМ лежит явление квантово-механического туннельного эффекта, заключающегося в способности частиц преодолевать потенциальные барьеры, высота которых больше полной энергии частицы. Туннельный эффект связан с волновыми свойствами частиц. Явление туннельного эффекта можно описать с помощью модели энергетических состояний свободных электронов в металле. В рамках этой модели внутри проводника электронный газ считается свободным, то есть энергия электронов описывается 2 p соотношением E =, где p импульс электрона, а m его масса. Максимальную энергию, 2m которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля, называют уровнем Ферми ( E F ). Весь объем металла является для электронов проводимости потенциальной ямой. Основной вклад в туннельный ток вносят электроны, имеющие наибольшую энергию, то есть находящиеся на уровнях, близких к E F. Вблизи поверхности металла, то есть около границы раздела металл вакуум, электроны проводимости оказываются вблизи края потенциальной ямы, который служит для них потенциальным барьером, высота которого определяется работой выхода φ. Согласно классическим представлениям, прохождение электроном потенциального барьера, имеющего высотуu, большую полной энергии электрона E, означает появление у него мнимого импульса: p = 2m( E U ). Однако, согласно квантово-механическим представлениям, положение электрона в пространстве описываются волновой функцией, ipz являющейся решением уравнения Шредингера: Ψ( z) ~ exp, где z координата в h направлении по нормали к поверхности металла, h постоянная Планка. Тогда мнимый импульс определяет волновую функцию электрона, экспоненциально затухающую в направлении, перпендикулярном к поверхности металла: pz Ψ ( z) ~ exp. (1) h Прозрачность потенциального барьера в квазиклассическом приближении определяется вероятностью прохождения частицы сквозь него, вычисляемой как отношение числа прошедших частиц к количеству частиц, упавших на барьер. Для барьеров сложной формы z 2 эта величина равна: 2 D = D 0 exp 2m( V ( z) E) dz. h z1 При сближении двух металлов на расстояние, меньшее расстояния, на котором волновые функции покинувших потенциальные ямы электронов затухают (1), возникает туннельный контакт металл вакуум металл (Рис. 2-1). В такой системе при наличии внешнего напряжения, называемого напряжением смещения V, между двумя металлами возможно протекание туннельного тока. Если напряжение смещения не велико (ev<<φ), то величина туннельного тока I Т пропорциональна приложенному напряжению: I T AVe b ϕd =, (2) где d расстояния между двумя металлами, A и b константы. Важным выводом из этого соотношения является экспоненциальный характер зависимости величины туннельного тока от ширины туннельного барьера d. С помощью зависимости (2) можно получить, что увеличение ширины туннельного барьера на 1Å приводит к уменьшению величины туннельного тока на порядок. 31

33 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие В СТМ используется туннелирование электронов между проводящими зондом и образцом при наличии внешнего напряжения; шириной туннельного перехода является расстояние между зондом и поверхностью образца. В качестве зонда в СТМ используется остро заточенная металлическая игла. Предельное пространственное разрешение СТМ определяется в основном радиусом закругления острия (которое может достигать нескольких ангстрем) и его механической жесткостью. Если механическая жесткость в продольном и поперечном направлениях оказывается достаточно малой, механические, тепловые и квантовые флуктуации иглы могут существенно ухудшить разрешение СТМ. В качестве материала для зонда обычно используются металлы с высокой твердостью и химической стойкостью: вольфрам или платина. Между зондом и образцом прикладывается напряжение. Когда кончик зонда оказывается на расстоянии около 10 Å от образца, электроны из образца начинают туннелировать через промежуток в иглу или наоборот, в зависимости от знака напряжения. Возникающий в результате ток туннелирования изменяется с зазором зонд-образец экспоненциально и измеряется туннельным сенсором 5 (Рис. 2-2). φ 1 d φ 2 E F1 ev ipz pz ipz Ψ = A exp Ψ = B exp Ψ = C exp h h h E F2 Рис Зонная диаграмма туннельного контакта двух проводников и огибающие волновые функции электронов в металле и в барьере в приближении эффективной массы I Т d 4 2 x z 1 y 3 I Т V 7 + R ОС ОС V out V fb V S Рис Схема сканирующего туннельного микроскопа. Обозначения: 1- зонд; 2 образец; 3 пьезоэлектрические двигатели x, y, z; 4 генератор развертки x, y; 5 туннельный сенсор; 6 компаратор; 7 электронная цепь обратной связи; 8 компьютер; 9 изображение z(x,y). 32

34 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ В режиме постоянного тока (Рис. 2-3 а) величина туннельного тока между зондом и образцом поддерживается постоянной за счет приближения и отвода зонда системой обратной связи. Сигнал для получения изображения топографии поверхности берется из канала z-пьезопривода. Альтернативный метод регистрации, применяемый при исследовании малых достаточно плоских участков (атомно-гладких поверхностей), работа в режиме с очень большой постоянной времени цепи обратной связи, так что при сканировании среднее расстояние острие образец поддерживается постоянным (Рис. 2-3 б) и регистрируются быстрые изменения туннельного тока («токовое изображение»). Этот способ позволяет максимально использовать быстродействие системы регистрации и получать изображения «в реальном времени». зонд Туннельный ток Траектория движения зонда а) Поверхность образеца зонд Туннельный ток Траектория движения зонда б) Поверхность образеца Рис Режимы постоянного тока (а) и постоянной высоты (б) Туннельная спектроскопия Туннельный эффект широко используется в физике твердого тела для спектроскопии электронных состояний. В основе метода лежит зависимость туннельного тока от числа состояний в образующих туннельный контакт материалах в интервале энергий от 0 до ev, отсчитываемых от уровня Ферми E F (V напряжение на туннельном промежутке). Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного контакта зонд-поверхность в любой точке поверхности и, следовательно, исследовать локальные электрические свойства образца, (сканирующая туннельная спектроскопия с высоким пространственным разрешением). Выражение для туннельного тока в приближении квазинепрерывного спектра электронов в некоторой точке r 0 на поверхности образца может быть представлено в следующем виде [Лит. 2-2]: ev ( 0 I r0, V) deρ T ( E) ρs ( r0, E) D( r, E), (3) 0 где D(r 0,E) прозрачность барьера, ρ T (E) плотность состояний, связанная с зондом, ρ S (r o,e) плотность состояний образца в точке r o. 33

35 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Таким образом, туннельный ток представляет собой свертку плотности состояний зонда и образца. Однако, как правило, состояния образца доминируют в спектре. В простейшем случае прямоугольного барьера при низких температурах и в предположении, что плотность состояний вблизи уровня Ферми в металле зонда практически постоянна, выражение (3) для тока можно записать в виде: ev I( r0, V ) ρ ( r0, E) de. 0 S В этом случае зависимость туннельного тока от напряжения определяется, в основном, плотностью состояний в энергетическом спектре образца. На практике величину ρs(r0,e) оценивают по величине производной туннельного тока по напряжению: I ρ s ( ev ) V Особенности в плотности состояний материала острия так же отражается на проводимости, но в некоторых случаях, например для пары вольфрам полупроводник наиболее интересные особенности в спектре объемных или поверхностных состояний полупроводника лежат при энергиях E F =1-2 эв, где плотность состояний вольфрама не имеет особенностей. Полупроводниковые образцы имеют сложную структуру энергетического спектра электронов. Наличие запрещенной зоны и примесных уровней в спектре полупроводниковых материалов делает ВАХ туннельного контакта металл-полупроводник сильно нелинейной (Рис. 2-4 а). Существенный вклад в туннельный ток дают также поверхностные состояния и уровни энергии, связанные с адсорбированными на поверхности чужеродными атомами. Поэтому исследования локальных туннельных спектров полупроводниковых материалов проводят в условиях высокого вакуума. Туннельные спектры позволяют определить положения краев зоны проводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми, а также идентифицировать спектральные пики, связанные с примесными состояниями внутри запрещенной зоны полупроводников. СТМ изображение поверхности существенно зависит от величины и полярности приложенного к туннельному контакту напряжения. Это связано с особенностями туннелирования электронов из иглы в свободные состояния образца (Free states) или из заполненных состояний образца (Filled states) в иглу (Рис. 2-4 б). ρ(e) I _ E F E C Free states V E F V E V а) Filled states б) + E F Рис а) схематическое изображение ВАХ туннельного контакта металл-полупроводник, б) влияние направления туннелирования электронов 34

36 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ СТМ изображения реконструированной поверхности Si (111) (7х7) при различных значениях приложенного к контакту напряжения показаны на Рис a) b) Рис СТМ изображения поверхности Si (111) при различных напряжениях на образце: a) +0,4 В, б) 1,4 В V-модуляция В методе V-модуляции помимо постоянного напряжения смещения V = к туннельному контакту прикладывается малое переменное напряжение V ~. Возникающая при этом переменная часть туннельного тока: I di = ev dv ( X, Y, E + ) ~ ρ F =. При этом обратная связь держится на постоянном сигнале, а переменная составляющая туннельного тока используется для формирования спектроскопического изображения. Таким образом, одновременно с измерением топографии возможно топографирование локальной плотности состояний. Z-Модуляция При получении СТМ изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока, вариации работы выхода, вообще говоря, могут приводить к искажениям картины. Эти искажения, правда, малы и составляют единицы ангстрем при изменении V в разумных пределах (2 5 эв), но и их можно учесть, измерив в том же самом эксперименте зависимость φ(x, Y). Для этого расстояние острие образец надо промодулировать на малую величину δ и измерить переменную компоненту туннельного тока, амплитуда которой: δ δ I ~ = I т di т / dz = I т 2mϕ. 2 h Таким образом, возможно измерять не только топографию, но и разделять области разного состава, различающиеся значениями работы выхода. Факторы, влияющие на качество изображения СТМ Сканирующий зондовый микроскоп дает изображение поверхности, увеличенное во всех трех измерениях: x, y и z, максимальная разрешающая способность для каждой из осей определяется различными факторами. 35

37 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Разрешение по оси z ограничивается, во-первых, чувствительностью сенсора, и, вовторых, амплитудой вибраций зонда относительно поверхности образца. Конструкция микроскопа должна обеспечивать уменьшение амплитуды этих вибрации до долей ангстрема. Разрешение СТМ по нормали к поверхности образца для атомно чистых поверхностей достигает в благоприятных случаях сотых долей ангстрема. Благодаря крутой зависимости I(Z) электронные шумы аппаратуры, дробовой шум туннельного тока и т.п. слабо влияют на результаты. Однако для «грязных» поверхностей шум по координате Z резко возрастает, доходя до долей микрометра. Максимальное разрешение в плоскости x-y определяется, прежде всего, точностью позиционирования зонда. Важное значение имеет геометрия острия зонда. При сканировании предельно плоских (атомно-плоских) поверхностей разрешение лимитируется диаметром атома на самом конце иглы (так называемый эффект последнего атома, Рис. 2-6). Таким образом, для оценки предельного разрешения можно принять, что туннелирование (до 90% тока) происходит с единственного атома. Макроскопическая геометрия зонда не является определяющей для атомного разрешения. Зонд 1 90 % 99 % тока Поверхность Рис Схематическое изображение взаимодействия кончика иглы с образцом При выявлении сравнительно больших геометрических деталей качество изображений определяется геометрией острия. Критическими являются следующие параметры: радиус закругления конца иглы r и отношение аспекта A r = L/W (отношение высоты зонда к диаметру основания) (Рис. 2-7). 36

38 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ Изображение Направление сканирования Рис Искажение изображения профиля поверхности вследствие конечной величины отношения аспекта и радиуса закругления острия Конструкция датчика туннельного тока сканирующего зондового микроскопа NanoEducator В приборе NanoEducator применяется универсальный датчик туннельного тока и силового взаимодействия. Датчик выполнен в виде пьезокерамической трубки длиной l=7 мм, диаметром d=1,2 мм и толщиной стенки h=0,25 мм, жестко закрепленной с одного конца. К свободному концу трубки прикреплена вольфрамовая проволока диаметром 100 мкм. Свободный конец проволоки, использующейся в качестве зонда, заточен электрохимически, радиус закругления имеет величину 0,2 0,05 мкм. На внутреннюю поверхность трубки нанесен проводящий электрод, соединенный с заземленным корпусом прибора. Зонд имеет электрический контакт с внутренним электродом трубки. При измерении туннельного тока пьезотрубка играет роль жесткой пассивной балки. Электрическое смещение прикладывается к образцу относительно заземленного зонда (Рис. 2-8). Преобразователь, изображенный на рисунке, вырабатывает электрическое напряжение Uт, обуславливающее протекание туннельного тока I и выдает напряжение U пропорциональное этому току в электронный блок. зонд I Образец Uт I преобразователь U Uт Рис Принцип регистрации туннельного тока 37

39 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Рис Электрическая схема преобразователя ток-напряжение прибора NanoEducator Электрическая схема преобразователя ток-напряжение, собранного на двух операционных усилителях У1 и У2, показана на Рис В процессе работы преобразователя благодаря отрицательно обратной связи, выполненной на резисторе R1, потенциал в точке 1 поддерживается равным потенциалу в точке 2, который задается ЦАП опорного напряжения (см. рисунок). Туннельный ток возникает благодаря потенциалу U1. Путь протекания тока следующий: образец- острие «земля»- Rout- R 1, где Rout выходное сопротивление операционного усилителя У1. Из схемы видно, что V3 V1 = R1I, То есть величина протекаемого туннельного тока пропорциональна разности напряжений V 3 V1 1 На операционном усилителе У2 построен дифференциальный усилитель, который в случае равенства величины резисторов R 3 = R 4 = R 5 =R 6 вырабатывает напряжение V = V V = V V = R I, Таким образом, коэффициент преобразования тока в напряжение можно рассчитать по формуле V = R1. I 6 K = 38

40 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ R 2 Подстроечный резистор используется для установки нулевого сигнала на выходе усилителя У1, или установки необходимого смещения в точке 3 относительно потенциала земли. В идеальном случае в отсутствие туннельного тока (большое расстояние между зондом и образцом) потенциал в точке 3 равен напряжению смещения на образце относительно заземленного зонда. Это напряжение смещения задает ЦАП, управляемый компьютером. Однако в реальном случае, в измерительной цепи возможны токи утечки, соизмеримые с туннельным током ( А). Это приводит к тому, что даже в отсутствие туннельного тока потенциал в точке 3 будет отличаться от потенциала, выставляемого ЦАП, на величину R I 1 (где I - токи утечки), а на выходе измерительной схемы в точке 2 появится потенциал, пропорциональный токам утечки. Для устранения влияния токов утечки на измерение туннельного тока используется подстроечное сопротивление R 2, с помощью которого потенциал в точке 3 смещается таким образом, чтобы при большом зазоре между зондом и образцом потенциал в точке 3 был бы равен потенциалу в точке 2, а напряжение на выходе U6 было бы нулевым. Коэффициент преобразования К преобразователя ток-напряжение определяется выражением: U 6 K =. (4) I Принципиальные ограничения на минимальную величину измеряемого тока накладывают «дробовые» флуктуации I 2 = 2eI f, связанные с дискретностью заряда электрона и «найквистовские» флуктуации I kt f =, R обусловленные тепловыми шумами, где е заряд электрона, Т температура, К постоянная Больцмана, f полоса частот измеряемого тока. Однако на практике уровень шумов тока в основном обусловлен случайными изменениями расстояния между зондом и образцом, вызванными механическими и акустическими шумами Методические указания Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользователя прибора, а так же руководство пользователя к программе Oscilloscope. 39

41 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 2.5. Техника безопасности Прибор управляется напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей напряжением до 220 В Задание 1. Измерение коэффициента преобразования K преобразователя ток-напряжение (ПТН) Вставьте держатель с эталонным резистором вместо датчика взаимодействия в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator (Рис. 2-10). Ток, протекающий через высокоомный эталонный резистор, имитирует туннельный ток. Эталонный резистор закреплен на основании датчика взаимодействия вместо пьезотрубки. Один конец резистора заземлен, второй конец предназначен для подключения напряжения смещения, для чего его необходимо подсоединить к держателю образца Предварительно посмотрите номинал резистора, указанный на его корпусе, или измерьте сопротивление эталонного резистора с помощью мегомметра. Согните ножку резистора так, чтобы ее можно было с помощью пинцета аккуратно вставить в отверстие на держателе образца. Внимание! Будьте осторожны при установке резистора, так как излишнее давление на держатель образца может привести к поломке сканера, на котором он установлен Держатель резистора Эталонный резистор Держатель образца Рис Схема подключения эталонного резистора 1.3. Запустите режим туннельного микроскопа, нажат кнопку «Т» на панели управления программы NanoEducator Войдите в меню Landing, нажав кнопку на приборной панели. Установите величину напряжения Bias Voltage V~100 мв. Вычислите величину протекающего тока I=V/R, где R сопротивление эталонного резистора. Посмотрите величину реально протекающего тока через резистор на индикаторе 40

42 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ величины туннельного тока (Tunnel Current) в окне Landing. В случае их различия объясните возможные причины Запустите виртуальный осциллограф, нажав кнопку на приборной панели, или запустите файл oscilloscope.exe из папки, в которой установлена программа NanoEducator. Установите сигнал ADC-Current-mV на одном из каналов осциллографа. На этом канале индицируется величина напряжения на выходе ПТН (точка 6 на Рис. 2-9) Определите по виртуальному осциллографу величину напряжения на выходе ПТН. Вычислите коэффициент преобразования по формуле (4). 2. Определение максимального измеряемого тока Для выполнения этого пункта необходимо реализовать процедуру снятия вольт-амперных характеристик (определение зависимости величины протекающего через резистор тока от величины приложенного напряжения) Spectroscopy. Для перехода к этой процедуре нажмите кнопку Canсel в окне Landing и войдите в меню Scanning, нажав кнопку на приборной панели (программа информирует об отсутствии взаимодействия зонд-образец, т.к. не было осуществлено сближение). Произведите предварительное сканирование не менее 5 линий. После окончания сканирования закройте полученную картинку (в данной работе она не нужна) Перейдите к процедуре Spectroscopy, выбрав соответствующую закладку на правом поле окна Scanning. Поставьте курсор на правое поле окна Scanning и щелкните мышью, указывая программе точки для снятия вольт-амперных характеристик. Выберете две точки Нажмите кнопку Start. При этом откроется окно управления режимом Spectroscopy. Установите начальное и конечное значение напряжения для получения вольт-амперной характеристики: StartV, StopV (-5000мВ, 5000 мв), количество точек измерения в одном графике Points (например, 200) и количество графиков, снимаемых в одной пространственной точке Graphycs (например, 5). Задержка в измерениях между точками Delay оставьте установленной по умолчанию (1 мс) Нажмите кнопку Start окна управления спектроскопией. Произойдет измерение туннельного тока (в нашем случае тока, протекающего через эталонный резистор) в каждой из 200 точек, через интервалы, на которые разбит диапазон изменения напряжений (в нашем случае через 10 мв). Программа визуализирует графики зависимости I(V). Полученный график представляет собой прямую, отражающую закон Ома. Графики, измеренные в обеих точках, совпадают. Сохраните один из них для представления в отчете. При правильно настроенной аппаратуре и отсутствии электрических утечек графики должны проходить через начало координат. Это означает, что при отсутствии напряжения ток, протекающий через резистор, равен нулю Полученные графики будут иметь горизонтальные участки там, где происходит ограничение измерительной схемы. Определите по графику максимальный измеряемый прибором ток. 41

43 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 3. Определение величины минимального тока, измеряемого прибором Отсоедините эталонный резистор от держателя образца. Извлеките держатель с эталонным резистором из измерительной головки. Закройте крышку измерительной головки во избежание электрических наводок. При этом ПТН будет измерять токи утечки Установите сигнал ADC-Current на одном из каналов осциллографа. Увеличьте масштаб осциллографа по вертикали до появления шумовой дорожки. Сохраните окно с шумовой дорожкой для представления в отчете Оцените величину минимального измеряемого тока по амплитуде размаха шумовой дорожки сигнала ADC-Current. Минимальное значение измеряемого тока определяется величиной шумов аппаратуры. 4. Получение топографии поверхности в режиме постоянного туннельного тока Установите на держатель образца исследуемый образец Установите зондовый датчик в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ). Захват взаимодействия на приборе NanoEducator, работающем на воздухе, лучше осуществлять в режиме силового взаимодействия. Эта предосторожность необходима для того, чтобы не повредить зонд во время захвата, т.к. исследуемые в СТМ образцы на воздухе могут быть частично окислены Определите амплитудно-частотную характеристику зондового датчика и установите рабочую частоту Осуществите сближение зонда с образцом с помощью винта ручного подвода до расстояния примерно 1 мм Осуществите захват взаимодействия в режиме ССМ Закройте окно Landing. Перейдите в режим туннельного микроскопа, нажав кнопку «Т» на панели управления программы NanoEducator. 42

44 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ 4.8. Нажмите кнопку Landing. Выполните захват взаимодействия в режиме туннельной микроскопии (если при переключении между режимами взаимодействие было потеряно) при следующих параметрах: Set point 0.5 na Integrator delay (в меню Options) 1000 ms Feed Back Loop Gain 3 Bias Voltage 0.2 V 4.9. Откройте окно сканирования. Задайте необходимые параметры сканирования, исходя из предварительных сведений об исследуемом образце. Начните измерение топографии поверхности в режиме постоянного туннельного тока Если получаемое изображение содержит артефакты сканирования (соседние линии на скане не повторяются, имеются вылеты зонда из обратной связи вследствие неустойчивого туннельного контакта), то остановите сканирование и попробуйте стабилизировать контакт путем изменения значения параметров: Feed Back Loop Gain 1 3 Set Point na Bias Voltage V Если величина Z на индикаторе Scaner Protraction начнет уменьшаться, увеличьте один из параметров Feed Back Loop Gain или Set Point пока величина Z не восстановится. Осуществите измерение топографии поверхности в режиме постоянного туннельного тока. Сохраните полученные результаты После окончания эксперимента закройте окно сканирования и осуществите отвод зонда от образца Контрольные вопросы 1. Назовите основные компоненты СТМ и их назначение. Объясните принцип работы СТМ на примере туннельного контакта двух проводников. 2. Поясните устройство и принцип действия туннельного сенсора. Опишите основные параметры, которые вы будете определять в работе. 3. Что такое режим постоянного тока и постоянной высоты? Что такое V- и Z- модуляция? Для чего они применяются? 4. Туннельная спектроскопия. Объясните влияние направления туннелирования электронов на изображение поверхности кремния. 5. Назовите факторы, определяющие качество изображения в СТМ. Какие требования предъявляются к СТМ-зонду? 2.8. Литература Лит Г. Бинниг, Г. Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия от рождения к юности Нобелевские лекции по физике УФН, т. 154 (1988), вып.2, с Лит J.A. Kubby, J.J. Boland. Scanning Tunneling Microscopy of Semiconductor Surfaces. Eslevier, 1996 (Surface Science Reports, 26 (1996) ). 43

45 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ 3.1. Цели работы 1. Изучение основ сканирующей атомно-силовой микроскопии и принципов работы атомно-силового микроскопа в неконтактном режиме; 2. Определение основных параметров датчика силового взаимодействия прибора NаnoEducator и параметров СЗМ эксперимента; 3. Получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца Информация для преподавателя Измерение параметров датчика силового взаимодействия, получение АСМ изображения и обработка экспериментальных данных выполняется каждым студентом индивидуально. Практическая часть работы выполняется на одном занятии и занимает 4 часа. Образец для исследования: фрагмент компакт-диска со снятым защитным слоем или любой другой по выбору преподавателя. До начала работы необходимо подобрать зонды для каждого студента, измерить параметры датчика силового взаимодействия, измерить зависимость амплитуды колебаний зонда от расстояния зонд-образец, и получить изображение поверхности исследуемого образца на одном из приборов Содержание работы - Определение основных параметров датчика силового взаимодействия (резонансная частота зонда, добротность зондового датчика). - Выполнение спектроскопии (измерение зависимости силы взаимодействия (амплитуды колебаний зонда) от расстояния зонд-образец); - Получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца. Основы сканирующей атомно-силовой микроскопии Основной недостаток сканирующей туннельной микроскопии возможность исследования только проводящих образцов был преодолен в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером с созданием атомно-силового микроскопа (АСМ) [Лит. 3-1]. Принцип действия АСМ основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Аналогичные силы действуют и между любыми Прибор NanoEducator полноценно работает только в учетной записи пользователя «Администратор компьютера». 44

46 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ сближающимися телами. В атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею остриё. При приближении зонда к образцу он сначала притягивается к поверхности благодаря наличию наиболее дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса. Силы Ван-дер-Ваальса [Лит. 3-2] обусловлены тем, что нейтральный изотропный атом может поляризоваться под влиянием электрического поля. Причем даже два нейтральных атома индуцируют друг в друге малые дипольные электрические моменты, когда они находятся достаточно близко друг от друга, т.е. так, что движение электронов в электронных оболочках соседних атомах не претерпевает радикального изменения, а только испытывает слабое возмущение (Рис. 3-1 а). Так как притяжение более близких друг к другу противоположных зарядов увеличивается при сближении сильнее, чем отталкивание далеких одноименных зарядов, то результатом будет притяжение атомов друг к другу. + Зонд + + Адсорбированный слой Поверхность образца а) б) Рис а) притяжение двух атомов благодаря силам Ван-дер-Ваальса, б) притяжение зонда к поверхности за счет капиллярных сил. Если на поверхности образца имеется адсорбированный слой, то при соприкосновении зонда с его поверхностью возникает притяжение за счет капиллярных сил. Притягивающие силы могут быть обусловлены так же электростатическим взаимодействием. При дальнейшем уменьшении расстояния возникают силы отталкивания. Когда расстояние между зондом и образцом станет меньше среднего межатомного расстояния, то начнется перекрытие электронных оболочек ближайших атомов, в результате чего электроны первого атома стремятся частично занять состояния второго. В результате действия принципа запрета Паули они вынуждены занимать состояния с более высокой энергией. Увеличение энергии системы двух взаимодействующих атомов приводит к появлению отталкивающей силы. При еще большем сближении атомов доминирующей становится кулоновская сила отталкивания ядер. В общем виде зависимость силы межатомного взаимодействия F от расстояния между атомами R имеет вид: a F ( R) = + m R b R n. (1) 45

47 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Константы a и b и показатели степени m и n зависят от сорта атомов и типа химических связей. Для притягивающих сил Ван-дер-Ваальса m=7, для кулоновской силы n 2. Качественно зависимость F(R) показана на Рис Рис Зависимость силы F взаимодействия между атомами от расстояния R В зависимости от знака силы, действующей между зондом и образцом, различают контактный, неконтактный и прерывисто-контактный («полуконтактный») способы проведения силовой микроскопии. Использование контактного способа предполагает, что зонд упирается в образец и находится в области действия сил отталкивания. При использование неконтактного способа зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. В «полуконтактном» режиме зонд частично касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания. Перечисленные способы измерений обладают определенными достоинствами и недостаткам. Контактный способ измерений наиболее удобен с точки зрения детектирования силового взаимодействия, т.к. величины сил отталкивания в области контакта могут значительно превышать величины сил притяжения. Однако при его использовании существует опасность возникновения нарушений структуры поверхности образца и быстрого износа или даже поломки зонда. При бесконтактном способе измерений разрушение образца отсутствует, однако малы измеряемые сигналы. Поэтому наиболее часто для визуализации различных свойств поверхности в силовой микроскопии используется «полуконтактный» способ детектирования взаимодействия. При этом вследствие кратковременности контакта воздействие зонда на поверхность минимально, а измеряемые сигналы достаточны для их надежного детектирования. Дополнительным преимуществом «полуконтактного» способа является отсутствие сдвиговой составляющей силы воздействия на исследуемую поверхность, что существенно уменьшает искажения получаемых изображений. Традиционным датчиком силового взаимодействия является упругая микробалка, консоль или кантилевер (от англ. cantilever консоль). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли V- или I-образной формы ( Рис. 3-3 а и б) изготавливаются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO 2 46

48 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ или Si 3 N 4. Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1 50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. а) б) в) Рис Электронно-микроскопическое изображение: а) V-образного кантилевера, б) I-образного кантилевера, в) контактного пьезолевера. Контактный режим работы АСМ В этом режиме работы взаимодействие зонда и образца осуществляется в области действия сил отталкивания. Обычно в контактном режиме используются тонкопленочные V- образные кантилеверы из Si 3 N 4 с пирамидальными зондами ( Рис. 3-3 а). Кантилеверы имеют упругую константу k=0,03 1 Н/м. Сила F, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу кантилевера x, соотношение между которыми определяется законом Гука: F = kx. (2) Величина изгиба регистрируется, как правило, с помощью оптической системы (Рис. 3-4), состоящей из полупроводникового лазера и четырехсекционного (квадрантного) фотодиода. Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение лазера фокусировалось на конце кантилевера, а отраженный луч попадал в центр фотодетектора. При изгибе кантилевера под действием контактных сил отраженный от него луч лазера смещается относительно центра фотодетектора. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней 47

49 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие половинок фотодетектора. На таком оптическом датчике взаимодействия сейчас основано действие большинства современных зондовых микроскопов. Рис Схема силового сенсора Наряду с использованием стандартного оптического датчика для регистрации сил взаимодействия зонд-образец, существует возможность применения пьезорезистивных кантилеверов (пьезолеверов) ( Рис. 3-3 в) [Лит. 3-3]. Применение пьезолеверов основано на использовании пьезорезистивного эффекта, заключающегося в изменении объемного электросопротивления при приложении механического напряжения. Кремний наряду с тем, что традиционно используется для производства кантилеверов, обладает так же и сильным пьезорезистивным эффектом. Принцип действия пьезолевера прост при изгибе кантилевера возникают сильные механические напряжения, что приводит к изменению электросопротивления резистивного слоя. В качестве пьезорезистивного материала используют сформированные ионной имплантацией области аморфного кремния на поверхности кантилевера. Конструкция пьезорезистивного кантилевера показана на Рис Форма кантилевера позволяет электрическому току протекать по плечам кантилевера, подвергающемся наибольшей механической деформации. Кантилевер электрически изолирован от подложки тонким слоем диоксида кремния. Очень важно, чтобы слой резистивного элемента был как можно более тонким, чтобы обеспечить протекание тока в области наибольшего изгиба кантилевера. 48

50 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ Контакт Металлизация Контактная площадка Пьезорезистор Подложка Оксид Металл Оксид Собственный кремний Легированный кремний Подложка Рис Конструкция пьезорезистивного кантилевера (пьезолевера) На Рис. 3-6 показана схема АСМ сенсора с пьезорезистивным элементом. Два контакта пьезолевера подключаются в схему моста Уинстона, что позволяет непосредственно по изменению электросопротивления измерять изгиб кантилевера. Образец Рис Схема АСМ сенсора с пьезолевером Важнейшее преимущество пьезолеверов это простота настройки прибора. Если настройка оптического датчика требует точного подвода лазерного луча на кончик кантилевера и балансировки фотодетектора, т.е. прецизионной юстировки, то в случае использования пьезолеверов работа прибора возможна сразу после установки пьезолевера. 49

51 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Неконтактный режим работы АСМ В этом режиме работы зонд находится достаточно далеко от поверхности образца в области действия сил притяжения. Обычно в контактном режиме используются жесткие I- образные кремниевые кантилеверы с циллиндрическими зондами ( Рис. 3-3 б). Кантилеверы имеют упругую константу k= Н/м. 5 6 T B I S~ =T B 7 СД I S= 8 V fb δ z~ V ~ 4 V S Рис Схема сканирующего атомно-силового микроскопа (неконтактный режим работы). Обозначения: 1 зонд; 2 кантилевер; 3 пьезовибратор; 4 генератор переменного напряжения; 5 полупроводниковый лазер; 6 квадрантный фотодетектор; 7 синхронный детектор; 8 компаратор. Силы притяжения и их градиенты слабее отталкивающих контактных сил, поэтому для их детектирования обычно используется модуляционная методика. Для этого на пьезовибратор, на котором укреплен кантилевер с зондом, прикладывается переменное напряжение (Рис. 3-7), которое вызывает изменение его геометрических размеров. Частоту переменного напряжения выбирают равной собственной частоте колебаний кантилевера. Вследствие этого кантилевер колеблется над образцом с резонансной частотой ω 0 : k ω 0 ~, (3) m где m масса системы зонд-кантилевер. Уравнение, описывающее движение зонда при малой амплитуде колебаний имеет вид: 2 d z ω0 dz ω0 ( z z0) = zω 0 cos( ωt) 2 dt Q dt, (4) где ω частота вынуждающих колебаний пьезодрайва, z 0 расстояние зонд-образец при нулевой амплитуде колебаний, z(t) расстояние зонд-образец в момент времени t, z амплитуда вынуждающих колебаний (закрепленного на пьезовибраторе конца кантилевера), амплитуда возбуждения, Q безразмерная величина добротность, зависящая от колебательной системы и условий внешней среды (воздух, жидкость или вакуум). Величина Q связана с характерным временем затухания τ соотношением: 2Q = ω 0 τ. (5) 50

52 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ Вынужденные колебания образуются из двух различных типов колебаний переходного процесса и стационарного колебания. Переходный процесс является общим решением уравнения (4) при z=0; он затухает с течением времени и интереса не представляет. Стационарное колебание представляет собой чисто гармоническое колебание с частотой ω и амплитудой возбуждения z 0. Амплитуда стационарных колебаний зонда равна: Q ω δ = z (6) ω ω + Q ( ω ω ) Сдвиг фазы ϕ колебаний свободного конца кантилевера относительно закрепленного определяется выражением: ϕ 1 ω ω 0 tg =. (7) Q 2 2 ω 0 ω Приближение зонда к поверхности образца приводит к возникновению силы взаимодействия между ними, что эквивалентно увеличению массы зонда. Это приводит к смещению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и фазо-частотной характеристики (ФЧХ) колебаний кантилевера влево по сравнению с измеренными вдали от поверхности (Рис. 3-8). δ, пр. ед б a ϕ 2 0 б a ω 0 ω ω 0 ω 0 ω, кгц ω, кгц Рис Зависимость амплитуды δ и фазы φ колебаний зонда вдали от поверхности (a) и при приближении к поверхности образца (б) Резонансная частота колебаний кантилевера изменяется при изменении градиента силы F z (при приближении зонда к поверхности) по сравнению со свободно резонирующим кантилевером (вдали от поверхности) в соответствии с выражением: ' 0 = ω 0 1 F 1 k z ω. (8) Так как частота вынуждающих колебаний кантилевера поддерживается постоянной и равной ω 0 в свободном состоянии, то при приближении зонда к поверхности амплитуда колебаний свободного конца кантилевера уменьшается. Эта амплитуда колебаний 51

53 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие регистрируется с помощью оптической системы и может быть определена по относительному изменению переменной освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора. Далее с помощью синхронного детектора выделяется постоянный сигнал, согласованный с синхросигналом от генератора напряжений (см. Рис. 3-7). Компаратор сравнивает текущий сигнал в цепи сенсора с изначально заданным V S (характеризует уровень силы, на котором зонд удерживается от поверхности образца) и, при его отклонении, вырабатывает корректирующий сигнал V fb. Взаимодействие зонда с образцом поддерживается постоянным за счет приближения и отвода зонда от поверхности системой обратной связи, управляющей Z-пьезоприводом таким образом, чтобы сила взаимодействия между зондом и образцом (а как следствие и амплитуда колебаний зонда) была постоянной (режим постоянной силы). Сигнал о высоте z в каждой точке изображения (x, y) берется из канала Z-пьезопривода. Поскольку в неконтактном режиме нет физического контакта с образцом, сила взаимодействия между зондом и образцом очень мала, этот режим более подходит для сканирования с высоким разрешением мягких и "липких" образцов (полимеров) или слишком твердых образцов. Фазовый контраст Если отдельные участки поверхности имеют различные свойства, то изображение будет иметь дополнительный контраст, зависящий от природы материала на отдельных участках. Он проявляется в изменении фазы колебаний зонда, в то время как амплитуда колебаний отражает топографию поверхности. Поскольку детектирование фазы колебаний возможно одновременно с получением топографии поверхности при амплитудном детектировании положения зонда в обратной связи, то из сравнения амплитудного и фазового изображений возможно получить информацию о фазовом составе образца (так называемый фазовый контраст, Рис. 3-9). Рис Топография (слева) и фазовое изображения (справа) поверхности трехкомпонентной системы полимеров. Размер скана 5х5 мкм Конструкция и принцип действия датчика силового взаимодействия сканирующего зондового микроскопа NanoEducator Датчик силового взаимодействия прибора NanoEducator выполнен в виде пьезокерамической трубки длиной l=7 мм, диаметром d=1,2 мм и толщиной стенки h=0,25 52

54 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ мм, жестко закрепленной с одного конца. На внутреннюю поверхность трубки нанесен проводящий электрод. На внешнюю поверхность трубки нанесены два электрически изолированных полуцилиндрических электрода. К свободному концу трубки прикреплена вольфрамовая проволока диаметром 100 мкм (Рис. 3-10). Свободный конец проволоки, использующейся в качестве зонда, заточен электрохимически, радиус закругления имеет величину 0,2 0,05 мкм. Зонд имеет электрический контакт с внутренним электродом трубки, соединенным с заземленным корпусом прибора. Рис Конструкция датчика силового взаимодействия прибора NanoEducator Одна часть пьезоэлектрической трубки используется как пьезовибратор, а другая как датчик механических колебаний. К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте силового датчика (Рис. 3-11). В процессе колебаний зонда на второй части пьезоэлемента (датчике колебаний) возникает переменное электрическое напряжение, пропорциональное смещению зонда, которое и измеряется прибором. Рис Принцип работы пьезоэлектрической трубки в качестве датчика силового взаимодействия 53

55 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Выполнение спектроскопии Режим Спектроскопия (Spectroscopy) позволяет получить зависимость амплитуды колебаний зонда (Oscillation Amplitude) от расстояния между зондом и образцом. Спектроскопия может выполняться как в одной точке образца (точке, соответствующей текущему положению зонда в координатах (X,Y)), а также в точках, указанных на полученном при сканировании изображении поверхности образца. Спектроскопия позволяет выбрать оптимальную для данного измерения величину подавления амплитуды колебаний зонда (параметр Amplitude Suppression) и оценить величину амплитуды колебаний зонда при отсутствии взаимодействия. Интерфейс режима Спектроскопия (Spectroscopy) позволяет контролировать и изменять следующие параметры (Рис. 3-12): Рис Окно режима Spectroscopy 1 кривая, полученная при приближении зонда к образцу; 2 кривая, полученная при отдалении зонда от образца а) Начальное положение зонда в нм (Start Point). Эта величина должна быть отрицательна, т.к. в соответствии с исполняемым алгоритмом зонд перед началом измерений отводится от образца на расстояние Start Point. б) Шаг (расстояние, которое проходит зонд между точками измерений) в нм (Step). в) Количество точек, в которых проводится измерение амплитуды колебаний зонда (Points). г) Задержка между шагами при движении зонда в мс (Delay). Алгоритм измерения кривой спектроскопии в данной точке (X,Y) образца производит следующие действия: 1) Отключается следящая система. 2) Зонд отводится от образца на расстояние, определенное параметром Start Point. 54

56 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ 3) Зонд приближается к образцу с шагом Step путем подачи напряжения на сканер по оси Z. Всего зонд проходит количество шагов, задаваемое параметром Points, и на каждом шаге производится измерение относительной амплитуды колебаний зонда (Oscillation Amplitude). 4) Затем производятся измерения относительной амплитуды в тех же точках, но при движении зонда в обратном направлении (при удалении зонда от образца). Результат измерений представляется на графике, состоящем из двух кривых (Рис. 3-12): 1 при приближении зонда к образцу, 2 при отдалении зонда от образца. По оси абсцисс на графике отложены величины перемещения зонда в направлении Z. Нулевое значение абсциссы соответствует начальному положению зонда (расстояние между зондом и образцом в обратной связи). Это положение отмечено зеленым вертикальным курсором. Отрицательные значения по оси абсцисс на графике окна Spectroscopy соответствуют изменениям расстояния зонд-образец при отдалении зонда от образца, а положительные изменениям расстояния зонд-образец при приближении зонда к образцу. Точка А соответствует появлению взаимодействия между зондом и образцом в результате их сближения. Начиная с этой точки, при дальнейшем сближении, амплитуда колебаний зонда уменьшается до полного затухания колебаний (точка В). Участок кривой правее точки В соответствует колебаниям пьезо датчика, при которых зонд находится в полном механическом контакте с поверхностью образца. Положение точки В определяется наклоном кривой. Проекция на ось абсцисс расстояния от точки А до точки В показывает величину зазора между зондом и образцом при захваченном взаимодействии. Проекция всего наклонного участка кривой на ось абсцисс показывает величину колебаний при отсутствии взаимодействия между зондом и образцом в нм. Выполнение режима Spectroscopy в точке, в которой зонд находится в данный момент, осуществляется при нажатии кнопки Spectroscopy окна Set Interaction. Для получения данных спектроскопии в различных точках на поверхности образца необходимо выполнить следующие действия: 1. Выполнить сканирование в режиме получения топографии поверхности. 2. Выбрать закладку Spectroscopy в правом нижнем поле окна Scanning. 3. С помощью левой кнопки мыши отметить на изображении топографии поверхности образца точки, в которых требуются данные спектроскопии. Отмена выбранных точек осуществляется при нажатии кнопки Clear, расположенной в поле изображения. 4. Нажать кнопку START окна Scanning. После этого появляется окно Spectroscopy (Рис. 3-12). 5. Установить параметры спектроскопии (Start Point, Step, Points, Delay). 6. Нажать кнопку START окна Spectroscopy. 55

57 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие После этого данные спектроскопических измерений в каждой отмеченной точке будут появляться на отдельных страницах графика по мере проведения измерений Методические указания Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользователя прибора Техника безопасности Прибор управляется напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей напряжением до 220 В Задание 1. Определение частоты механического резонанса датчика силового взаимодействия Установите на держатель образца исследуемый образец 1.2. Установите зондовый датчик в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator. Лишь слегка затяните прижимающий винт Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ) Нажмите на панели инструментов кнопку Adjust, затем кнопку Resonance. Войдите в режим Manual. Нажмите кнопку Start, получите график зависимости амплитуды колебаний зонда от частоты (амплитудно-частотную характеристику зондового датчика). Убедитесь, что маркер (вертикальная зеленая линия) находится на максимальном пике графика. Величина частоты при этом выводится в окне Frequency, а соответствующая ей амплитуда колебаний в поле Probe Oscillation Amplitude. Регулируйте параметры Амплитуда раскачки зонда (Oscillation Amplitude) и Коэффициент усиления амплитуды (AM Gain) таким образом, чтобы на кривой наблюдался один четко выраженный симметричный максимум. Рекомендуется устанавливать величину амплитуды, задаваемой генератором, минимальной (вплоть до нуля) и не более 50 мv. При недостаточной величине амплитуды ответных колебаний зонда (<1 V) рекомендуется увеличить коэффициент AM Gain. Если на графике есть несколько пиков, попытайтесь уменьшить амплитуду дополнительных пиков, подбирая степень прижатия датчика винтом фиксации. Сохраните полученную амплитудно-частотную характеристику Произведите тонкую настройку резонансной частоты, для этого установите переключатель Manual Regime в положение Fine и нажмите кнопку Start для уточнения значения частоты резонанса. Сохраните полученную амплитудночастотную характеристику. 2. Определение добротности колебательной системы с пьезорезонансным датчиком Из амплитудно-частотной характеристики, измеренной в режиме Fine, определите значения в поле Frequency (f рез ) и Probe Oscillation Amplitude (A max ) на максимуме резонансного пика. 56

58 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ РЕЖИМЕ 2.2. С помощью мыши установите зеленый курсор в такое положение, при котором значение Probe Oscillation Amplitude равно половине максимального значения амплитуды (A max /2) в резонансе справа и слева от максимального пика на графике (текущие значения частоты и амплитуды индицируются под графиком автоматически). Запишите измеренные значения частоты справа (f1) и слева (f2) Вычислите ширину пика на половине высоты: (f1-f2) и величину добротности Q=f рез /(f1-f2). 3. Определение зависимости величины силового взаимодействия (амплитуды колебаний зонда) от расстояния зонд-образец Установите рабочую частоту зондового датчика в резонансное положение Осуществите захват взаимодействия при значениях: Amplitude Suppression = 0,3; Feed Back Loop Gain = Запомните величину Z на индикаторе Scanner protraction. Для надежности захвата силового взаимодействия его величина обычно выбирается больше, чем требуется в процессе сканирования. Для перехода к рабочему значению уменьшите величину Amplitude suppression до значения приблизительно 0,2-0,1. При этом, в результате отработки следящей системы сканер отодвинет образец от зонда, однако на индикаторе Z это смещение останется незаметным из-за малой величины. Если же величина взаимодействия выбрана слишком малой (около 0,01), сканер начнет заметно втягиваться (величина Z уменьшается). Для определения правильного рабочего значения степени взаимодействия увеличивайте Amplitude suppression до тех пор, пока Z не достигнет прежнего значения Выполните режим спектроскопии в текущей точке расположения зонда над поверхностью образца. Подберите такие параметры, чтобы на кривой был хорошо виден наклонный участок, который показывает изменение амплитуды колебаний зонда, начиная с момента возникновения силы со стороны поверхности образца Оцените амплитуду колебаний зонда в свободном состоянии (вдали от поверхности) и расстояние зонд-образец при захваченном взаимодействии. Найдите среднее значение колебаний зонда с учетом гистерезиса по графикам прямого и обратного движения сканера Выберите оптимальную для данного измерения величину подавления амплитуды колебаний зонда (параметр Amplitude Suppression). Зеленый курсор рекомендуется поставить на наклонный участок кривой ближе к горизонтальному участку, где взаимодействие слабее, а крутизна кривой больше и, как следствие, выше разрешение по оси z. 4. Получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца Выйдите из окна режима спектроскопии. Откройте окно сканирования. Задайте необходимые параметры сканирования, исходя из предварительных сведений об исследуемом образце Для проведения сканирования с одновременным измерением фазового контраста (Phase shift) перед началом сканирования необходимо выбрать соответствующую закладку в правом нижнем поле окна Scanning Осуществите измерение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца. Сохраните полученные результаты После окончания эксперимента закройте окно сканирования и осуществите отвод зонда от образца. 57

59 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 3.7. Контрольные вопросы 1. Опишите зависимость силы взаимодействия от расстояния зонд-образец. 2. Назовите основные режимы работы АСМ и их назначение. 3. Объясните основные способы детектирования силы в контактном режиме АСМ. 4. Объясните принцип работы неконтактного АСМ. 5. Для чего используется режим измерения фазового контраста при работе в неконтактном режиме АСМ? 6. Поясните устройство и принцип действия неконтактного силового сенсора прибора NanoEducator. 7. Опишите режим выполнения спектроскопии в приборе NanoEducator Литература Лит G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber. Atomic force microscope.// Phys. Rev. Lett., 1986, Vol. 56, 9, p Лит Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. Нижний Новгород: Изд. ННГУ, Лит M. Tortonese, R.C. Barrett, C.F. Quate. Atomic resolution with an atomic force microscope using piezoresistive detection.// Appl. Phys. Lett., 1993, Vol. 62, No. 8, p

60 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ 4.1. Цели работы 1. Изучение источников артефактов в сканирующей зондовой микроскопии; 2. Исследование основных характеристик пьезоэлектрической керамики и СЗМ сканера; 3. Определение формы зонда и разрешения СЗМ Информация для преподавателя Работа состоит из двух частей, выполняемых на двух занятиях (по 4 часа). Первая часть работы заключается в исследовании основных характеристик сканера по тестовому образцу TGX1. Вторая часть работы заключается в определении формы зонда по изображению тестового образца TGT1, электрохимическая перезаточка (или изготовление нового зонда) и повторное определение формы зонда. Образцы для исследования: тестовые образцы TGX1 и TGT Содержание работы - Изучение основных характеристик пьезокерамики и сканера (резонансная частота, диапазон перемещений, нелинейность, гистерезис, ползучесть, температурный дрейф). Исследование основных характеристик сканера по тестовому образцу TGX1; - Влияние геометрии зонда на разрешение СЗМ при отображении различных поверхностных особенностей. Определение формы зонда по тестовой решетке TGT1, электрохимическая перезаточка зонда и повторное получение СЗМ изображения зонда. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии Целью микроскопического исследования твердых тел, в том числе и методами сканирующей зондовой микроскопии, является получение увеличенного изображения поверхности. Идеальный микроскоп позволяет получать истинное изображение поверхности. Любое измерение, в результате которого получается изображение, отличающееся от истинной поверхности образца, является артефактом. Все аналитические методы исследования содержат артефакты. Исторически, с развитием инструментальной техники и методик исследования, артефакты становились более Прибор NanoEducator полноценно работает только в учетной записи пользователя «Администратор компьютера». 59

61 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие понятными и минимизировались изменениями в конструкции оборудования, методологии или при интерпретации данных. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) также не лишена артефактов. Если они непонятны, то исследователь не может правильно интерпретировать получаемые СЗМ данные. Это приводит к множеству нежелательных последствий, таких как неспособность правильно оценивать работу прибора и неправильное использование результатов эксперимента. Если артефакты хорошо изучены и выявлена причина их появления, СЗМ данные могут быть правильно интерпретированы, а полученная информация использована с уверенностью. Существует много источников СЗМ артефактов. Целью данной лабораторной работы является изучение источников артефактов на СЗМ изображениях и их правильная интерпретация. Основные компоненты СЗМ, вызывающие артефакты 1. Пьезоэлектрическая керамика Для контролируемого перемещения иглы на сверхмалых расстояниях в СЗМ используются пьезоэлектрические двигатели. Их задача обеспечить прецизионное механическое сканирование зондом исследуемого образца путем перемещения зонда относительно неподвижного образца или перемещения образца относительно неподвижного зонда. Работа большинства пьезоэлектрических двигателей, применяемых в современных СЗМ, основана на использовании обратного пьезоэффекта, который заключается в изменении размеров пьезоматериала под действием электрического поля. Механизм пьезоэффекта можно проследить на простой модели, имитирующей структуру кварца SiO2 (Рис. 4-1). Положительные ионы кремния в решетке SiO2 чередуются с отрицательными ионами кислорода. В недеформированной ячейке центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (Рис. 4-1 а). Если к металлическим электродам, расположенным на противоположных гранях кристалла кварца, приложить внешнее электрическое напряжение так, как указано на Рис , то ионы смещаются, приводя к деформации кристаллической решетки. U а) б) Рис Схема структуры кварца (а) и возникновения обратного пьезоэлектрического эффекта (б) 60

62 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ В СЗМ, как правило, в качестве пьезоматериала используется не кристаллические материалы, вроде кварца, а пьезокерамика, обладающая более высоким пьезомодулем. Пьезокерамика представляет собой совокупность сегнетоэлектрических монокристаллических зерен с типичным размером 0,5 50 мкм. Основой большинства применяемых в СЗМ пьезокерамик [Лит. 4-1, Лит. 4-2] является состав PbZr 1-x Ti x O 3 (цирконат-титанат свинца, ЦТС) с различными добавками. В качестве добавок используются Nb, Sn, Bi, La в качестве легирующих добавок (менее 5%) и Sn, Ba, La в качестве модифицирующих (более 5%) примесей. Стандартным методом получения пьезокерамики является метод спекания порошков заданного состава при атмосферном давлении. Существует также метод горячего прессования под давлением до 200 кг/см 2. Этот метод позволяет получить керамику с плотностью, превышающей 99,9% от теоретически достижимой и обладающую свойствами близкими к свойствам кристаллических образцов. В неполяризованной керамике зерна и, соответственно, полярные оси их доменов ориентированы хаотично, что обуславливает квазиизотропное поведение электрических, пьезоэлектрических и других характеристик керамики. Для получения требуемых свойств, например, наличия обратного пьезоэффекта, необходимо однородно ориентировать полярную ось во всем объеме материала при помощи внешнего электрического поля. Этот процесс, называемый поляризацией, заключается в нагреве материала до температур выше температуры Кюри T c и последующем охлаждении в присутствии внешнего электрического поля до комнатных температур. После снятия внешнего электрического поля дипольные моменты доменов остаются ориентированными в одном направлении, т.е. в материале возникает остаточная поляризация. При использовании пьезокерамики осуществлять ее нагрев выше точки Кюри нельзя, т.к. при этой температуре пьезокерамика деполяризуется и пьезоэффект больше не наблюдается. Удлинение закрепленной с одного конца пьезопластинки (Рис. 4-2) определяется выражением: U l = l d 31, (1) h где l длина пластины, h - толщина пластины, U - электрическое напряжение, приложенное к электродам, расположенным на гранях пьезопластины, d 31 - пьезомодуль материала. Пьезомодуль d 31, определяющий преобразование напряжения в перемещение в продольном направлении, обычно равен м/в. Например, при значении d 31 =200 м/в (2 Å/В), используя пластинку длиной l =20 мм, толщиной h =0,5 мм, можно обеспечить механические смещения l в диапазоне 0-2,4 мкм при изменении управляющего напряжения U от 0 до 300 В. Большие коэффициенты пьезомодуля важны для меньших габаритов сканеров и меньших управляющих напряжений. Максимальная величина деформации пьезоматериала, определяющая максимальное поле сканирования, ограничивается значением напряженности электрического поля, при котором возникает электрический пробой материала. Минимальный шаг или точность перемещений в основном определяется шумами управляющего электрического напряжения, уровнем механических вибраций и термодрейфа. 61

63 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие d 31 l h l Рис Удлинение закрепленной с одного конца пьезопластинки U Среди основных характеристик пьезокерамик, применяемых в СЗМ, можно выделить: - Малая потребляемая мощность и отсутствие тепловыделения. - Неизменность пьезомодуля d 31 при низких температурах, вплоть до гелиевых (4,2 К), что важно для низкотемпературных СЗМ. - Температура Кюри о С. - Коэффициент теплового расширения керамики составляет β= К -1, при этом значение имеет не столько сам коэффициент, сколько малая разность этих коэффициентов β для керамики и материала, используемого вместе с ней в конструкции (например, сталь) для уменьшения температурных дрейфов. - Малые габариты, высокая жесткость и, как следствие, высокие резонансные частоты (желательно > 10 кгц), необходимые для защиты от вибраций. Высокая резонансная частота позволяет так же повысить скорость сканирования, т.е. уменьшить время получения СЗМ данных. - Применимость в различных средах и сверхвысоком вакууме, т.к. они химически не активны, и не создают электромагнитных полей. Несмотря на преимущества пьезокерамик, применяемых в качестве микропозиционеров, они обладают так же и рядом недостатков. Идеальная пьезоэлектрическая керамика деформируется линейно с приложенным напряжением в соответствии с выражением (1), и при увеличении напряжения и при его уменьшении, как показано на Рис l U Рис Смещение идеальной пьезокерамики с приложенным напряжением 62

64 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ На практике, пьезоэлектрическая керамика не ведет себя в соответствии с линейной моделью, показанной на Рис При работе со сканерами на основе пьезокерамики необходимо принимать во внимание ряд свойств этого материала: а) Нелинейность Реальная пьезокерамика деформируется нелинейно с приложенным напряжением (Рис. 4-4), т.е. удлинение является некоторой функцией от приложенного напряжения: l = f (U ). (2) Нелинейность обусловлена увеличением пьезомодуля на % с ростом приложенного напряжения. l Идеальная пьезокерамика l Реальная пьезокерамика U U Рис Нелинейность механической деформации пьезокерамики В случае получения изображений малых участков поверхности, сравнимых с межатомными расстояниями, этот недостаток не так существенен: во-первых, неидеальность поведения невелика ввиду малости диапазона развертки, а во-вторых, большинство важных геометрических параметров, например длины связей, хорошо известны заранее из результатов измерений другими методами. Однако при получении изображений более крупных объектов, например структур, изготовленных методами микротехнологии, нелинейные эффекты могут создавать значительные искажения. Нелинейность пьезокерамики приводит к тому, что объекты одинакового размера в начале и в конце сканируемого изображения будут иметь различные размеры. б) Гистерезис Это тип нелинейного поведения, при котором имеет место неоднозначная зависимость удлинения от направления изменения электрического напряжения (Рис. 4-5). Кроме того, благодаря гистерезису керамика может не достигать своей начальной длины после одинакового изменения электрического напряжения в одну и в другую сторону. l U Рис Гистерезис пьезокерамики 63

65 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Величина гистерезиса обычно составляет 10% и зависит от состава пьезоэлектрического материала и его структуры. Гистерезис СЗМ сканера приводит к сдвигу областей сканирования (и, соответственно СЗМ-изображений), получаемых при прямом и обратном перемещениях. Поэтому, для исключения искажений СЗМ-изображений поверхности образца, связанных с гистерезисом, следует проводить измерения только при прямом или только при обратном ходе сканера. в) Ползучесть Крип пьезокерамики (creep ползучесть) проявляется в медленном дрейфе в направлении последних предшествующих перемещений или замедленном во времени механическом смещении после быстрого изменения напряжения. После приложения ступеньки напряжения может наблюдаться также продолжение смещения в виде, изображенном на Рис. 4-6 (дребезг пьезокерамики). l U Время Рис Ползучесть и дребезг пьезокерамики Ползучесть пьезокерамики проявляется в искажении начального участка скана при больших площадях и скоростях сканирования, т.е. когда напряжение, приложенное к пьезоматериалу, изменяется достаточно быстро. Ползучесть также приводит к сдвигу особенности на СЗМ изображении в повторных сканах. Влияние ползучести уменьшается при уменьшении скорости сканирования, а также после «тренировки» сканера. На практике, заметив искажения на СЗМ-изображении, связанные с ползучестью, следует через некоторое время остановить сканирование и повторить его заново. После такой «тренировки» искажения на СЗМ-изображении, проявляющиеся, например, в виде загиба вертикальных линий, на повторном кадре, как правило, уменьшаются. Понятно, что ползучесть проявляется при резком смещении сканера в требуемую начальную точку сканирования, поэтому в алгоритмах управления сканером исключают резкие скачки управляющего напряжения и вводят временные задержки, учитывающие ползучесть. г) Температурный дрейф Случайные изменения температуры, всегда существующие в лаборатории, приводят к изменению длины элементов конструкции и относительному смещению зонда и образца. Например, при изменении температуры на Т=1 о С, пьезотрубка длиной l =20 мм с -6 коэффициентом линейного температурного расширения β=2 10 К -1, изменит свою длину на l=β. l. T= 40 Å. Плавный температурный дрейф вдоль координаты Z в процессе сканирования приводит к наклону плоскости образца на СЗМ-изображении. Изменение же линейных размеров вдоль координат X и Y, приводящее к взаимному сдвигу зонда и образца в плоскости образца, вызывает изменение масштабов изображения. В целом, эти искажения похожи на искажения, вызванные ползучестью керамики. 64

66 2. СЗМ сканеры 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Конструкции из пьезокерамик, обеспечивающие перемещение по трем координатам x, y (в латеральной плоскости образца) и z (по вертикали), называются сканерами. Существует несколько типов сканеров, наиболее распространенными из которых являются треногий и трубчатый (Рис. 4-7). Tip or sample holder +X Z Z X Y -Y +Y -X a) b) Рис Треногий сканер (а) движется при сканировании по дуге окружности в z-направлении. Трубчатый сканер (б) описывает сложную гиперболическую функцию. Эти эффекты приводят к изгибным искажениям на СЗМ изображениях. В треногом сканере перемещения по трем координатам обеспечивают расположенные в ортогональную структуру три независимые пьезокерамики. Когда на x и y керамику при сканировании подается напряжение, геометрия сканера заставляет зонд, укрепленный на конце z-пьезокерамики, выходить из плоскости образца. Таким образом, на z-пьезокерамику должно подаваться напряжение для поддержания зонда в обратной связи с образцом. Это приводит к изображению, которое кажется изогнутым, даже когда фактическая поверхность образца полностью плоская (Рис. 4-7 а). В треногом сканере Z пьезокерамика и соответственно закрепленный на ее конце зонд, движется при сканировании по дуге окружности (плоскости второго порядка). Эта дуга определяется физическими размерами треноги и не меняется при изменении скорости сканирования. Это искажение может быть легко удалено из полученного изображения левелингом второго порядка (Рис. 4-8). Рис Вычитание плоскости второго порядка из СЗМ изображения 65

67 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Трубчатые сканеры работают посредством изгиба полой пьезоэлектрической трубки в латеральной плоскости и удлинения или сжатия трубки по оси z. Электроды, управляющие перемещениями трубки в x и y направлениях, размещаются в виде четырех сегментов по наружной поверхности трубки (Рис. 4-7 б). Для изгиба трубки в направлении X, на +X керамику подается напряжение для удлинения одной из ее сторон. Тот же самый принцип используется для задания движения в направлении Y. Движение в Z направлении генерируется подачей напряжения на электрод в центре трубки. Диапазон сжатия или растяжения трубки в z направлении пропорционален длине трубки, в то время как изгиб в x и y направлениях пропорционален квадрату длины. Как следствие, сканеру может не хватить диапазона перемещений в z направлении, чтобы измерить большие детали при сканировании большой площади, особенно если образец не выровнен точно перпендикулярно трубке. Трубчатый сканер производит изгибное искажение большего порядка, чем треногий. Поскольку величина гистерезиса увеличивается при увеличении скорости и диапазона сканирования, форма и величина изгиба изменяется со скоростью сканирования и размером скана. Для того чтобы исправить изгиб на изображении, вызванный трубчатым сканером, должна использоваться программная коррекция (левелинг) более высокого порядка, которая может приводить к другим искажениям. а) Методы линеаризации характеристик сканеров Существует несколько способов коррекции нелинейности и других свойств пьезокерамики в сканирующих зондовых микроскопах. Наиболее надежный, но и наиболее дорогостоящий, подход к решению этой проблемы заключается в прямом измерении мгновенного положения сканера и коррекции нелинейности в реальном времени посредством цепи обратной связи. В качестве датчиков смещения могут использоваться емкостные или тензодатчики, фотодетекторы или оптические интерферометры. В методе оптической коррекции [Лит. 4-3] (Рис. 4-9) на пьезоэлектрическом трубчатом сканере располагаются две взаимно перпендикулярные лопасти, в каждой из которых имеется узкая щель. По разные стороны от каждой лопасти установлены светодиод и дифференциальный фотодетектор. Светодиод освещает щель широким пучком света. При перемещении сканера щель перемещается относительно фотодетектора, так что по его поверхности перемещается узкая полоска света. Разность фототоков, создаваемых полоской света в двух секциях фотодетектора, преобразуется предусилителем в выходное напряжение, пропорциональное смещению сканера. Смещения сканера в направлениях x и y измеряются отдельными схемами. Рис Схема одного канала оптического датчика смещения (слева) и геометрия двухкоординатного детектора (справа): СД светодиод, ФД фотодетектор 66

68 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ При использовании емкостных датчиков [Лит. 4-4] две пластины конденсатора располагаются на сканере и на фиксированном расстоянии вблизи сканера. При движении сканера определяется изменение емкости между этими двумя пластинами, обусловленное изменением площади контакта, и соответствующее смещение сканера. При использовании тензодатчиков [Лит. 4-5] измеряется электросопротивление проводника в результате его деформации (тензорезистивный эффект). Изменение сопротивления тензорезисторов, расположенные на x, y и z пьезокерамиках в сканере пропорционально смещению сканера. Второй, более простой способ, заключается в использовании нелинейных напряжений возбуждения пьезокерамики, так чтобы результирующее смещение сканера было приблизительно линейным. Для этого СЗМ сканер должен быть предварительно откалиброван, т.е. найдена функция (2) зависимости смещения от приложенного напряжения. Калибровка сканера осуществляется с использованием образцов с периодическими структурами заранее известных размеров (тест-объектов). б) Резонансные частоты сканеров Важной характеристикой СЗМ сканера является его резонансная частота. В конструкциях современных микроскопов приходится идти на компромисс между величиной максимального поля обзора сканирующего элемента и его резонансной частотой. Сканеры с жесткой конструкцией, т.е. высоким значением резонансной частоты, вопервых, лучше защищены от влияния внешних вибраций и, во-вторых, позволяют с достаточной точностью отслеживать за сигналами в достаточно широкой частотной полосе. Это дает возможность устанавливать высокую скорость сканирования, уменьшая тем самым время, необходимое для получения информации. Уменьшение времени сканирования заданной области с одной стороны удобно, а с другой стороны, имеет принципиальное значение, поскольку при этом уменьшается вредное влияние температурных дрейфов. Оценим собственную резонансную частоту сканера в виде пьезотрубки, воспользовавшись выражением для частоты основной гармоники поперечных колебаний в плоскости X Z стержня с одним жестко закрепленным концом: 2 1 (1,875) EIY ω =, (3) 2 2π l m 2 где I Y (z) погонный момент инерции относительно оси z, l длина, m масса, E = c ρ модуль Юнга, c скорость звука в пьезоматериале, ρ плотность пьезокерамики. Для полого цилиндра длиной l, радиусом R и толщиной стенки h, имеем: 4 πr R h I Y = 1 2 R 4. Подставляя l = 30 мм, h = 1 мм, R = 6 мм, c = 3, м/сек, ρ = 7 г/см 2, получим ω 12,3 КГц. Из формулы (3) видно, что увеличение диапазона перемещений сканера за счет увеличения его длины приводит к квадратичному уменьшению его резонансной частоты. Понятно также, что в случае крепления образца на сканере, его масса должна быть небольшой по сравнению с массой сканера, в противном случае будет заметным уменьшение резонансной частоты. 67

69 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Резонансную частоту сканера можно также измерить экспериментально, поэтому в случае сканеров сложной конфигурации, когда математический расчет представляет собой достаточно сложную задачу, пользуются данными, полученными экспериментально. 3. СЗМ зонды Существует много видов СЗМ зондов, различающихся различной геометрией. Важно использовать в эксперименте соответствующий зонд для того, чтобы отобразить интересующие особенности на поверхности образца. Одним из видов АСМ зондов является пирамидка из нитрида кремния с квадратным основанием со сторонами приблизительно 5 мкм длиной (Рис. 4-10). Кантилеверы с зондами получают путем напыления Si 3 N 4 в ямки травления от дислокаций на поверхности Si (100), литографией и последующим стравливанием подложки. Отношение сторон (высоты к основанию) определяется геометрией ямки травления и составляет приблизительно 1:1, с радиусом кончика около нм. Рис Изображение пирамидального АСМ зонда в просвечивающем электронном микроскопе. Для изготовления кремниевых АСМ зондов конической формы (Рис. 4-11) применяется достаточно сложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии, ионной имплантации, химического и плазменного травления. Рис Изображение конического АСМ зонда в просвечивающем электронном микроскопе. 68

70 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Основные этапы одной из возможных технологий изготовления представлены на Рис [Лит. 4-6]. Для изготовления зондовых датчиков (кантилевер с расположенным на его кончике зондом) используются пластины кристаллического кремния ориентации (110). На поверхность пластины осаждается тонкий слой фоторезиста (Рис. 4-12, этап 2). Затем фоторезист экспонируется через фотошаблон, и часть фоторезиста удаляется посредством химического травления. Далее проводится имплантация ионов бора, так что ионы проникают на глубину порядка 10 мкм в область кремния, не защищенную фоторезистом (этап 3). После этого фоторезист смывается в специальном травителе, и затем проводится термический отжиг пластины, в результате которого атомы бора встраиваются в кристаллическую решетку кремния. Кремний, легированный бором, образует так называемый стоп-слой, который останавливает процесс травления для некоторых селективных травителей. Затем на обратной стороне пластины вновь проводится фотолитография, в результате которой формируется слой фоторезиста точно над областью, имплантированной бором. После этого пластина покрывается тонким слоем Si 3 N 4 (этап 4). Затем проводится селективное травление фоторезиста, причем в процессе растворения фоторезист набухает и срывает расположенную непосредственно над ним тонкую пленку Si 3 N 4 (этап 5). Пластина кремния протравливается насквозь до стоп слоя с помощью селективного травителя, который взаимодействует с кремнием и не взаимодействует с легированным кремнием и слоем Si 3 N 4, (этап 6). После этого Si 3 N 4 смывается, и на обратной стороне пластины в легированной области методом фотолитографии формируются островки из фоторезиста (этап 7,8). Затем проводится травление кремния, в результате которого получаются столбики кремния под островками фоторезиста (этап 9). Далее с помощью плазменного травления из столбиков кремния формируются иглы (этап 10,11). Получающиеся в результате заострения плазменным травлением зонды имеют коническую форму с радиусом основания 3-6 мкм, и высотой мкм (что дает отношение сторон 3 5:1). Радиус кончика составляет приблизительно нм. В результате данных технологических операций изготавливается целый набор зондовых датчиков на одной кремниевой пластине. Для проведения электрических измерений на зонд наносятся проводящие покрытия из различных материалов (Au, Pt, Cr, W, Mo, Ti, W 2 C и др.). В магнитных АСМ датчиках зонды покрываются тонкими слоями ферромагнитных материалов, таких как Co, Fe, CoCr, FeCr, CoPt и др. Для проведения специальных измерений особо узких углублений/щелей используются специальные виды зондов, называемых вискерными ( Whisker type ) или супертипами (рис. 13). Эти зонды имеют очень острые кончики с большим отношением сторон, позволяющие им проникать в узкие углубления, в то время как стандартные зонды не могут измерить дно и почти вертикальные боковые стенки. Типичные размеры составляют: длина мкм, отношение сторон > 10:1, и радиус кончика 10 нм. 69

71 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Рис Основные этапы изготовления кремниевых АСМ зондов Рис Изображение длинного тонкого АСМ суперзонда в просвечивающем электронном микроскопе Зонды для СТМ как правило изготавливаются из тонкой вольфрамовой проволочки. Для изготовления острых зондов с большим отношением сторон, эти проволоки затачивают с использованием процесса электрохимического травления. Отношение сторон составляет обычно 5:1 с радиусом кончика порядка 10 нм. При получении атомных изображений сканируется относительно малый диапазон на плоской поверхности, поэтому общая геометрия зонда не критична для этого применения. 70

72 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Применяемая в этом случае методика изготовления СТМ зондов перерезание проволоки с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением проволоки на разрыв. При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающего усилия. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным (рваным) краем с многочисленными выступами (волокнами), один из которых и оказывается рабочим элементом СТМ зонда, который будет участвовать в процессе туннелирования (Рис. 4-14). Зонд Зонд Образец Рис Микроскопические волокна на конце механически обрезанной проволоки эффективны для получения атомного изображения в СТМ. Только атомы внизу ближнего к поверхности образца волокна участвуют в туннелировании электронов Артефакты, связанные с зондом, возникают на СЗМ изображении неизбежно. Взаимодействие между геометрией зонда и поверхностью образца показано на Рис Реальная точка контакта Образец Кажущаяся точка контакта Изображение поверхности это след кончика зонда Рис Кажущаяся точка контакта СЗМ зонда с образцом зависит как от геометрии зонда, так и от геометрии отображаемой поверхностной особенности образца Однако знание геометрии зонда позволяет минимизировать это влияние при интерпретации полученных изображений, а так же использовать зонды, наиболее подходящие для отображения интересующих особенностей исследуемого образца. 71

73 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие а) Искажения особенностей типа ступеньки/канавки При отображении резких особенностей геометрия зонда очень важна. Зонд с большим радиусом начинает взаимодействовать с поверхностными особенностями задолго до того, как центральная ось зонда достигает особенности. Это можно видеть на примере отображения ступеньки, показанном на Рис После того, как зонд начинает взаимодействовать с особенностью, он очерчивает округленную форму, а не острый край. Если используется зонд пирамидальной формы, будет казаться, что ступенька имеет угол, равный углу зонда. Таким образом, для отображения этих особенностей, отношение сторон зонда является критичным. Зонды с большим отношением сторон будут вносить наименьшие искажения. а) б) в) Рис При отображении ступеньки, геометрия зонда является критичной. Закругленные зонды создают изображения, которые кажутся округленными (a). Зонды с малым отношением сторон производят наклонные ступеньки (б). Для получения изображений, наиболее близко соответствующих поверхности образца, требуются зонды с большим отношением сторон (в) При отображении глубоких особенностей, типа канавок, это становится еще более важным. Дно этих особенностей может быть отображено только при использовании длинных и тонких зондов. Зонды с малыми отношениями сторон не будут достигать дна этих особенностей, как показано на Рис а) б) Рис Зонды с малым отношением сторон не достигают дна канавки (a). Эти особенности могут быть отображены только длинными и тонкими зондами (б) 72

74 б) Искажения особенностей типа выпуклости 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ При отображении малых выпуклостей на плоской поверхности (например, квантовых точек) заостренность используемого зонда драматически влияет на ширину изображения. Как показано на Рис. 4-18, зонд с большим радиусом начинает взаимодействовать с особенностью задолго до того, как центральная ось зонда коснется образца. Изображение будет значительно шире, чем реальная поверхность образца. При этом высота будет измерена правильно, независимо от геометрии зонда. Зонды для этого типа образцов должны быть острыми, хотя они не обязательно должны быть длинными, как при отображении глубоких или резких особенностей. а) б) Рис При отображении очень мелких деталей на поверхности, тупые зонды приводят к намного более широким изображениям, чем реальный образец (a). При использовании острых зондов, ширина изображения более близко соответствует реальной ширине деталей (б). В обоих случаях высота особенностей воспроизводится точно в) Загрязнение зонда Если кончик СЗМ зонда загрязнен, например, прилипшими осколками с поверхности образца, результирующее изображение будет изменяться, как правило, происходит размазывание отображаемых деталей. В некоторых случаях загрязнение может улучшать разрешение. Например, при отображении графита с помощью СТМ с атомным разрешением, зонд может подбирать графит с поверхности. Туннелирование электронов в этом случае происходит между атомами графита (углерода) на зонде и на поверхности образца. г) Разрушение зонда Иногда в процессе получения изображения твердых образцов или неосторожного обращения с зондом может происходить частичное разрушение зонда, приводящее, например, к раздвоению кончика зонда (Рис. 4-19). При использовании такого зонда на получающемся изображении будет наблюдаться сдвоенное изображение каждой особенности на поверхности образца. 73

75 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Рис Раздвоенный кончик зонда будет удваивать отображаемые особенности на поверхности образца, т.к. в получении изображения попеременно будут участвовать оба кончика д) Угол между зондом и образцом Если зонд располагается под углом к поверхности образца, отличным от 90 о, получающееся изображение будет искаженным. При отображении особенности, которая имеет равные углы с каждой стороны, одна сторона будет казаться более крутой, чем другая, как показано на Рис Рис Артефакты на изображении могут быть вызваны углом между зондом и образцом е) Методы восстановления формы поверхности по ее СЗМ изображению Во всех описанных случаях наблюдаются искажениям в СЗМ изображениях при сканировании поверхностей с неровностями рельефа, сравнимыми с характерными размерами рабочей части зонда. Фактически СЗМ изображения являются сверткой формы поверхности исследуемого образца и зонда, который используется для отображения поверхности. Частично данную проблему позволяют решить развитые в последнее время методы восстановления СЗМ изображений, основанные на компьютерной обработке СЗМ данных с учетом конкретной формы зондов [Лит. 4-7, Лит. 4-8]. Наиболее эффективным методом восстановления поверхности является метод численной деконволюции, использующий форму зонда, получаемую экспериментально при сканировании тестовых (с хорошо известным рельефом поверхности) структур. Для калибровки и определения формы рабочей части зондов используются специальные тестовые структуры с известными параметрами рельефа поверхности. Виды наиболее 74

76 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ распространенных тестовых структур и их характерные изображения, полученные с помощью атомно-силового микроскопа представлены на Рис и Рис Калибровочная решетка в виде острых пиков (массив перевернутых АСМ зондов) позволяет хорошо прописывать кончик зонда, в то время как прямоугольная решетка помогает восстановить форму боковой поверхности. Комбинируя результаты сканирования данных решеток, можно полностью восстанавливать форму рабочей части зондов. Рис Электронно-микроскопическое (слева) и АСМ, полученное на приборе NanoEducator (справа), изображения прямоугольной калибровочной решетки TGX1 Рис Электронно-микроскопическое изображения калибровочной решетки TGT1 в виде массива острых пиков (слева) и АСМ изображение одного пика (зонда), полученное на приборе NanoEducator (справа) ж) Устройство для изготовления зондов для прибора NanoEducator В сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator используются универсальные зонды для АСМ и СТМ, представляющие собой заостренный конец вольфрамовой проволоки. Устройство для травления игл (УТИ), предназначенное для восстановления затупившегося или изготовления нового СЗМ зонда методом электрохимического травления, показано на Рис Принцип действия УТИ основан на том, что при протекании электрического тока между раствором щелочи и помещенным в нее металлом происходит электрохимический процесс травления металла, при котором атомы металла переходят в раствор. 75

77 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие УТИ, показанное на рисунке 23, работает следующим образом. Отрезок вольфрамовой проволоки 1 закреплен на держателе 8, который перемещается вверх и вниз по вертикали вручную при помощи винта 3. Вращая винт 3, проволоку опускают в кольцо 2 до нужной глубины. Кольцо изготовлено из нихромовой проволоки и в процессе травления не участвует. Предварительно на кольцо 2 вешается капля 5-ти процентного раствора KOH или NaOH. После этого включается источник переменного или постоянного электрического напряжения 6, обозначенный буквой V. Происходит процесс перетравливания вольфрамовой проволоки и образования острой иглы. Оператор наблюдает за процессом травления в оптический микроскоп 7. Освещение обеспечивается подвижным светодиодным осветителем 4. Все элементы конструкции закреплены на основании 5. После окончания травления иглу 1 вместе с держателем 8 поднимают в верхнее положение и вынимают. Технические характеристики устройства для травления игл приведены в таблице 1. Рис Конструкция устройства для травления игл для СЗМ NanoEducator Типичный радиус закругления кончика иглы Материал заготовки иглы вольфрамовая проволока диаметром Диапазон перемещения по вертикали Источник напряжения Табл. 1. Технические характеристики УТИ. 0,2 мкм 0,1 мм 25 мм Увеличение оптического микроскопа х 20 Время травления иглы 6-9 В / 0.5 А переменного тока Не более 2 мин 76

78 з) Методика восстановления затупившегося зонда 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Если зонд затупился, нужно осуществить его «подтравливание» в соответствии со следующим алгоритмом: 1. Подключите УТИ к адаптеру, входящему в комплект поставки, подключите адаптер к электрической сети 220 В. 2. Убедитесь, что режим травления выключен (не горит красная лампочка на выключателе). 3. Поверните кольцо 2 в сторону от держателя 8 на установке УТИ. 4. Вставьте датчик с зондом в держатель Установите, держатель с датчиком в такое положение, чтобы зонд 1 был в вертикальном положении. 6. Поднимите винтом 3 держатель 8 с датчиком в верхнее положение так, чтобы кончик зонда 1 был выше кольца Поверните кольцо 2 так, чтобы оно оказалось под зондом Отрегулируйте положение оптического микроскопа так, чтобы кольцо 2 было в фокусе микроскопа (Рис. 4-24). Рис Изображение в оптическом микроскопе УТИ кольца и кончика зонда 9. Поверните кольцо 2 в прежнее положение и навесьте на него каплю 5% раствора КОН из чашки Петри, как показано на Рис Прикоснитесь поверхностью жидкости к кольцу и опустите чашку вниз. На кольце образуется капля раствора. Рис Навешивание капли щелочи на кольцо 77

79 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 10. Снова поверните кольцо под зонд 1, и опустите кончик зонда в середину капли (Рис. 4-26), вращая винт 3, до тех пор, пока игла не коснется поверхности щелочи. В оптическом микроскопе будет виден образовавшийся с иглой мениск (Рис. 4-26). Рис При касании кончика иглы поверхности жидкости образуется мениск 11. Слегка поднимите острие так, чтобы самый ее кончик был выше основной поверхности жидкости, но мениск сохранялся. Это необходимо для того, чтобы в процессе травления участвовал только кончик зонда, который касается мениска. 12. Включите процесс травления выключателем. При этом загорится лампочка на выключателе, и жидкость начнет «кипеть» (Рис. 4-27). После того, как кончик иглы, касающийся мениска, перетравится, поверхность щелочи потеряет электрический контакт с зондом и процесс «кипения» прекратится (Рис. 4-27). Рис Процесс «кипения» при протекании электрического тока между поверхностью щелочи и зондом (слева) и момент прекращения «кипения» при перетравливании кончика зонда (справа) 13. Выключите травление. 14. Поднимите держатель с датчиком при помощи винта Выньте датчик с готовым зондом из держателя. 16. Промойте кончик зонда водой и просушите его. Вставьте датчик в физический узел и проверьте наличие резонансного пика согласно инструкции по работе с СЗМ. Если пик имеет недостаточную амплитуду, повторно 78

80 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ просушите зонд, т.к. остатки влаги могут электрически шунтировать электроды пьезоэлемента. Если травление больше осуществляться не будет, снимите кольцо со щелочью и промойте его водой. Отключите УТИ от электрической сети. и) Методика изготовления нового зонда 1. Для изготовления нового зонда возьмите универсальный датчик взаимодействия с имеющемся в нем острием. Осторожно извлеките старую иглу из пьезотрубки при помощи пинцета, вращая ее вокруг своей оси пинцетом. Осторожно с помощью иголочки очистите, если это необходимо, кончик пьезотрубки от оставшегося там клея. 2. Отрежьте от мотка вольфрамовой проволоки кусок длиной мм (Рис. 4-28). Рис Заготовка для изготовления нового зонда 3. Согните пинцетом кончик заготовки так, как показано на Рис Загнутый кончик по размерам должен быть чуть больше внутреннего диаметра пьезотрубки. Рис Загнутый кончик заготовки для нового зонда 4. Осторожно вставьте загнутый кончик заготовки в пьезотрубку (Рис. 4-30). Он должен жестко зафиксироваться в пьезотрубке за счет упругости проволоки. 79

81 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Рис Кончик заготовки вставлен в пьезотрубку 5. Подключите УТИ к адаптеру, входящему в комплект поставки, подключите адаптер к электрической сети 220 В. 6. Убедитесь, что режим травления выключен (не горит красная лампочка на выключателе). 7. Поверните кольцо 2 в сторону от держателя 8 на установке УТИ (см. Рис. 4-23). 8. Вставьте датчик с заготовкой для нового зонда в держатель Установите, держатель с датчиком в такое положение, чтобы заготовка 1 была в вертикальном положении. 10. Поднимите винтом 3 держатель 8 с датчиком в верхнее положение так, чтобы конец заготовки 1 был выше кольца Поверните кольцо 2 так, чтобы оно оказалось под заготовкой Отрегулируйте положение оптического микроскопа так, чтобы кольцо 2 было в фокусе микроскопа (Рис. 4-24). 13. Поверните кольцо 2 в прежнее положение и навесьте на него каплю 5% раствора КОН из чашки Петри, как показано на Рис Прикоснитесь поверхностью жидкости к кольцу и опустите чашку вниз. На кольце образуется капля раствора. 14. Снова поверните кольцо под проволоку 1 и опустите проволоку в каплю. При этом она полностью проколет каплю щелочи. 15. Установите зазор между каплей и нижней поверхностью датчика приблизительно 2-5 мм. При этом длина будущей иглы будет около 5-7 мм. 16. Включите процесс травления выключателем. При этом загорится лампочка на выключателе и жидкость начнет «кипеть» (Рис. 4-27). 17. Наблюдая за процессом травления в микроскоп, периодически выключайте травление выключателем и наблюдайте за утоньшением вольфрамовой проволоки внутри капли. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления. 80

82 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Внимательно следите за процессом травления и немедленно выключите выключатель после падения нижней части заготовки Поднимите держатель с датчиком при помощи винта Выньте датчик с готовым зондом из держателя. Промойте кончик зонда водой и просушите его. Вставьте датчик в физический узел и проверьте наличие резонансного пика согласно инструкции по работе с СЗМ. Если пик имеет недостаточную амплитуду, повторно просушите зонд, т.к. остатки влаги могут электрически шунтировать электроды пьезоэлемента. Если травление больше осуществляться не будет, снимите кольцо со щелочью и промойте его водой. 20. Отключите УТИ от электрической сети Методические указания Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользователя прибора Техника безопасности Прибор управляется напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей напряжением до 220 В Задание Часть 1 1. Измерение резонансной частоты сканера Закройте программу NanoEducator и выключите электронный блок Выньте зондовый датчик из гнезда измерительной головки, если он установлен. Снимите образец, если он установлен на держателе Отсоедините от головки кабель, по которому подаются управляющие сканером напряжения от блока управления к измерительной головке Присоедините вместо него специальный переходной кабель к разъему измерительной головки. Второй конец кабеля со вставкой вставьте в гнездо вместо датчика взаимодействия. Этот кабель предназначен для подведения напряжения развертки с генератора для измерения амплитудно-частотной характеристики сканера, подобно тому, как это осуществляется при измерении АЧХ зондового датчика. Схема измерения АЧХ сканера показана на Рис

83 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие На пьезоэлемент Z сканера подается напряжение с генератора. Механические колебания приводят к возникновению электрических зарядов на пьезоэлементе оси X сканера, этот сигнал усиливается и поступает в измерительную схему. СКАНЕР Усилитель напряжения датчика X Y Z Генератор напряжения Рис Схема измерения амплитудно-частотной характеристики сканера 1.5. Включите электронный блок и запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ) Нажмите на панели инструментов кнопку Adjust, затем кнопку Resonance. Войдите в режим Manual. Нажмите кнопку Start. В результате производится измерение амплитудно-частотной характеристики колебаний, возникающих в сканере подобно тому, как это происходит в датчике силового взаимодействия Определите по полученной АЧХ пик, соответствующий сканеру. Изменяйте величину возбуждающего напряжения с генератора, при этом должна меняться высота резонансного пика сканера. Если этого не происходит, то попробуйте поискать пик, соответствующий резонансному колебанию сканера, в другом частотном интервале. По умолчанию измерение амплитуды колебаний происходит в интервале частот от 3 до 17 кгц (при установленном переключателе «Frequency Range» в положении 10). Измерьте графики зависимости амплитуды колебаний от частоты при положениях переключателя «Frequency Range» на значениях 2 и 50. Сохраните АЧХ в том частотном интервале, в котором присутствует резонансный пик колебаний сканера Исследуйте влияние веса образца на резонансную частоту сканера, на котором он установлен. Для этого установите на держатель образец весом более одного грамма (например, монету). Масса монет достоинством в 10 копеек 2,0 г., 5 копеек 2,5 г., 50 копеек 2,90 г., 1 рубль 3,30 г., 2 рубля 5,20 г Повторите измерение резонансной частоты сканера с грузом. Вследствие увеличения массы колебательной системы резонансный пик сканера может сместиться в другой частотный интервал, однако форма максимума не изменится. Сохраните АЧХ в том частотном интервале, в котором присутствует резонансный пик колебаний сканера. Сравните полученные результаты Закройте программу NanoEducator и выключите электронный блок. 82

84 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Отсоедините переходный кабель от гнезда датчика взаимодействия и от разъема измерительной головки. Подсоедините вместо него кабель, по которому подается напряжение на сканер от электронного блока. 2. Определение нелинейности сканера по тестовой решетке TGX Установите на держатель образца тестовую решетку TGX Установите в гнездо измерительной головки зондовый датчик Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ) Определите амплитудно-частотную характеристику зондового датчика и установите рабочую частоту Осуществите сближение зонда с образцом с помощью винта ручного подвода до расстояния примерно 1 мм Осуществите захват взаимодействия при значениях: Amplitude Suppression = 0,3; Feed Back Loop Gain = Откройте окно сканирования. Задайте необходимые параметры сканирования, исходя из предварительных сведений об исследуемом образце Получите СЗМ изображение поверхности образца. Сохраните полученные результаты Повторите измерение топографии, передвинув выбранное поле сканирования (при нажатой правой кнопке мыши) на другой участок доступной области сканирования Area. При резком переходе в другую область или изменении размеров области сканирования наблюдается характерный «загиб» картинки, связанный с ползучестью пьезокерамики сканера. Подождите около двух минут, пока результаты сканирования не станут воспроизводиться с минимальными искажениями, после чего перезапустите сканирование. Сохраните полученное изображение Определите для полученных изображений точность калибровки сканера по осям X, Y и Z как отклонение периода и высоты элементов тестовой решетки от их номинальных значений Определите для полученных изображений нелинейность сканера как отклонение в процентах периода дифракционной решетки, измеренных по первому и последнему периоду на линиях вдоль оси X (оси быстрого сканирования) и оси Y Оцените для полученных изображений отклонение угла квадратов решетки от 90 градусов. 3. Исследование термодрейфа Не выходя из обратной связи, получите СЗМ изображение на горизонтальном участке тестовой решетки TGX1 на площади не более одного квадратного микрометра Сохраните полученное изображение и зафиксируйте время, когда получена картинка. Заметьте на изображении характерную особенность, по сдвигу которой на повторном скане можно будет определить величину термодрейфа. 83

85 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 3.3. Повторите сканирование через несколько минут, не изменяя параметров сканирования. Сохраните полученное изображение и зафиксируйте время, когда получена картинка Найдите на повторном скане замеченную характерную особенность. Сравнивая координаты одного и того же места на образце, полученные через разные промежутки времени, определите скорость взаимного дрейфа зонда и образца по осям X и Y (нм/с) Оцените возможную величину термодрейфа теоретически при изменении температуры, произошедшей за время эксперимента. Сравните вычисленные результаты с экспериментальными. Часть 2 4. Определение формы зонда по тестовой решетке TGT Установите на держатель образца исследуемый образец тестовую решетку TGT Установите зондовый датчик в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator. Лишь слегка затяните прижимающий винт Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ) Произведите настройку датчика на резонанс. Рекомендуется устанавливать величину амплитуды, задаваемой генератором, минимальной (вплоть до нуля) и не более 50 мv. При недостаточной величине амплитуды ответных колебаний зонда (<1 V) рекомендуется увеличить коэффициент AM Gain. Если на графике есть несколько пиков, попытайтесь уменьшить амплитуду дополнительных пиков, подбирая степень прижатия датчика винтом фиксации Осуществите сближение зонда с образцом с помощью винта ручного подвода до расстояния примерно 1 мм Войдите в меню «Landing». Увеличьте в окне «Options» значение «Integrator delay» (время, необходимое для вытягивания сканера на полный диапазон при включении следящей системы) до 1000 мс, что позволит осторожно осуществлять сближение. Установите значение «Amplitude Suppresion» равным приблизительно 0,2. Эта предосторожность нужна на случай захвата взаимодействия на вершине или склоне иглы на тестовом объекте, где работа следящей системы может быть неустойчивой Осуществите сближение, нажав кнопку «Start». После захвата взаимодействия (появится надпись OK) уменьшите величину взаимодействия до значения 0,1. Убедитесь, что величина Z не уменьшается Откройте окно сканирования, нажав в меню кнопку «Scan». Задайте необходимые параметры сканирования. Для тестового образца TGT1 скорость сканирования рекомендуется установить не более 1000 nm/s, шаг сканирования меньше, чем ожидаемая величина радиуса закругления кончика зонда (<100 nm) Получите топографию поверхности образца. Сохраните полученное СЗМ изображение. 84

86 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Осуществите отвод зонда от поверхности образца сначала в автоматическом режиме «Rising», а потом вручную на безопасное расстояние Выньте датчик с зондом из гнезда измерительной головки прибора NanoEducator. 5. Электрохимическая перезаточка зонда. Осуществите электрохимическую перезаточку или изготовление нового зонда в соответствии с описанной выше методикой. 6. Повторное определение формы зонда по тестовой решетке TGT После перезаточки или изготовления нового зонда осуществите повторное определение формы зонда по тестовой решетке TGT1 в соответствии с п.4 Задания Постройте на одном графике профили линии через вершинку зонда до и после перезаточки. Сравните полученные результаты Оцените разрешение при сканировании зондом ступеньки высотой 10, 100 и 300 нм, как расстояния между реальной и кажущейся точкой контакта зонда ступеньки (Рис. 4-15), которое пропорционально диаметру зонда на высоте ступеньки Контрольные вопросы 1. Что такое прямой и обратный пьезоэффект? Объясните понятие пьезоэлектрического эффекта на примере кварца и принцип действия пьезоэлектрического двигателя. 2. Объясните возможные артефакты, вносимые пьезокерамикой: нелинейность, гистерезис, ползучесть, температурный дрейф. Каковы способы борьбы с ними? 3. Какие виды сканеров Вы знаете? Назовите виды искажений, вносимые сканерами в СЗМ изображение. 4. Перечислите основные виды зондов, используемых в СЗМ, и способы их изготовления. 5. Опишите идеальный СЗМ зонд. Какие искажения способны вызвать зонды при отображении различных поверхностных особенностей? 6. Опишите устройство для изготовления СЗМ зондов для прибора NanoEducator. Расскажите о методе электрохимического травления. 85

87 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 4.8. Литература Лит А.А. Ерофеев, С.В. Бойцов, Т.А. Поплевкин. Пьезокерамические микроманипуляторы для сканирующего туннельного микроскопа. Электронная промышленность, 1991, 3, стр. 54. Лит А.П. Володин, А.Е. Панич. Применение пьезокерамических материалов ПКР в низкотемпературных сканирующих туннельных микроскопах. Приборы и техника эксперимента, 1989, 5, с Лит R.C. Barrett, C.F. Quate. Optical Scan-Correction System Applied to Atomic Force Microscopy. Rev. Sci. Instrum. 62(6), 1393 (1991). Имеется перевод на русский язык: Р. Барретт, К. Куэйт. Оптическая система коррекции растра для атомносилового микроскопа. Приборы для научных исследований, 1991, 6, с. 3. Лит J.E. Griffith, G.L. Miller, C.A. Green. A Scanning Tunneling Microscope with a Capacitance- Based Position Monitor. J. Vac. Sci. Technot. B 8(6), 2023 (1990). Лит Mizutani et. Al. A Piezoelectric-Drive Table and its Applications to Microgrinding of Ceramic Materials. Precision Engineering. 12(4), 219 (1990). Лит В.Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. ИФМ РАН г. Н. Новгород, 2004 г. 110 с. Лит P.M. Williams, K.M. Shakesheff et al. Blind reconstruction of scanning probe image data. // J. Vac. Sci. Technol. B 14 (2) p (1996). Лит А.А. Бухараев, Н.В. Бердунов, Д.В. Овчинников, К.М. Салихов ССМ метрология микро- и наноструктур. // Микроэлектроника, т. 26, 3, с (1997). 86

88 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ 5.1. Цели работы 1. Изучение физических основ зондовой нанотехнологии. 2. Изучение различных видов литографии, выполняемых с помощью сканирующего зондового микроскопа; 3. Получение практических навыков выполнения динамической силовой литографии Информация для преподавателя ** Работа состоит из двух частей и выполняется каждым студентом индивидуально. Обязательная практическая часть работы выполняется на одном занятии и занимает 4 часа. Выполнение литографии авторского изображения (по желанию студента) выполняется на втором занятии и занимает 4 часа. Образец для выполнения литографии: фрагмент компакт-диска без записи информации со снятым защитным слоем. До начала работы необходимо подобрать зонды для каждого студента и выполнить литографию тестового изображения на одном из приборов Содержание работы - Физические основы зондовой нанотехнологии. Изучение видов сканирующей зондовой литографии. - Нанесение тестового изображения ((samples\litho\nanoworld.bmp) на полимерную поверхность в режиме динамической силовой литографии, выбор оптимальных условий литографии; - Выполнение литографии авторского изображения (по желанию студента). Введение В настоящее время в мире сформировался ряд «критических» направлений науки и техники, определяющих конкурентоспособность наукоемких отраслей промышленности. Микроэлектроника и микротехнология, то есть сверхминиатюрные электронные приборы и способы их реализации на микроуровне, начиная со второй половины ХХ столетия доминировали в обеспечении научно-технического прогресса. Задача уменьшения линейных размеров элементов микросхем одна из основных в микроэлектронике. В настоящее время уровень развития технологий в этой области достиг субмикронных размеров и переходит уже на наноуровень. Изменяется и ** Прибор NanoEducator полноценно работает только в учетной записи пользователя «Администратор компьютера». 87

89 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие физика работы элементов теперь она основывается преимущественно на принципах квантовой механики [Лит. 5-1]. Создание интегральных наноэлектронных квантовых схем, по существу, является конечной целью нанотехнологии [Лит. 5-2]. Нанотехнологию, таким образом, можно определить как совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности твердых тел, в том числе из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля. Традиционный метод, включающий создание масок на поверхности полупроводниковой пластины с последующим применением различных видов микролитографии все более высокого разрешения, в том числе рентгено-, электроно- или ионной литографий, позволяет создавать элементы с нанометровыми поперечными размерами. Однако создание элементов на основе отдельных молекул или атомов традиционными путями невозможно. Изобретение в 1981 г. Г. Биннигом и Х. Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) открыло, прежде всего, новый путь для неразрушающего контроля проводящих материалов с разрешением вплоть до 0,01 нм. Еще большие возможности открылись с созданием атомного силового микроскопа (АСМ), с помощью которого стало возможным изучать рельеф не только проводящих, но и диэлектрических материалов. Создатели сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) первыми предложили использовать его и в качестве инструмента для модификации поверхности образца. Действительно, в области локального контакта зонда с образцом могут возникать достаточно большие силы, напряженности электрического поля и плотности электрических токов. Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к заметной локальной модификации поверхности образца и зонда. То есть, повышая уровень взаимодействия между зондом и образцом, можно перевести СЗМ из измерительного режима работы с нулевым или минимальным уровнем разрушения исследуемой поверхности, в литографический режим, обеспечивающий создание на поверхности образца заранее заданных структур с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Таким образом, было открыто новое направление зондовая нанотехнология. К настоящему времени зондовая нанотехнология уже привела к созданию дискретных устройств наноэлектроники в виде отдельных функциональных элементов (МОМ диод, одноэлектронный транзистор [Лит. 5-3]), устройств памяти со сверхплотной записью информации [Лит. 5-4]. При этом в полной мере могут быть реализованы идеи молекулярной электроники [Лит. 5-5], когда в качестве элементной базы предполагается использование и модификация отдельных молекул. Физические основы зондовой нанотехнологии [Лит. 5-6] В сканирующем туннельном микроскопе при напряжении между игольчатым электродом и подложкой 5 В и зазоре между ними 0,5 нм возникают электрические поля приблизительно 10 8 В/см, сравнимые с внутриатомными. Преимуществами таких полей являются их локальность, определяющаяся степенью заострения зонда, и низкие приложенные напряжения, которые не могут вызывать ионизацию молекул и атомов в межэлектродном зазоре. При таких полях возможны плотности токов электронной эмиссии до 10 8 А/см 2, которые можно оценить по формулам Фаулера-Нордхейма: 88

90 j = 1, E exp 6, φ 7 Θ φ E 3 2, 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ 8 E Θ = 0,935 10,79 10, 2 φ где E напряженность электрического поля (В/см), φ работа выхода электрона из электрода, к которому приложено электрическое поле (В). Сверхплотный пучок электронов из игольчатого электрода может вызвать на подложке локальный разогрев. Локальное повышение температуры по радиусу r вдоль поверхности от оси пучка для изотропных подложек можно оценить по формуле: r r UI () l = l l δ T r 2 1 e e l, 4πκ r где U напряжение, приложенное к электродам, I туннельный ток, k коэффициент термической проводимости подложки, l длина неупругого рассеяния электронов в подложке. Электростатическое поле порождает также нормальное к поверхности электродов механическое напряжение: 1 2 E 2 σ = εε 0, где ε диэлектрическая проницаемость среды между электродами, ε о диэлектрическая проницаемость вакуума. Это поле может быть достаточным для локальных упругих и пластических деформаций поверхности металлических электродов. Например, на воздухе при полях E > E 0 (E 0 электростатическое поле порога пластической деформации), где ,1 τ E 0 = 10 В/см, (τ механическое напряжение, при котором наблюдается пластическая деформация, Па), возможна локальная пластическая деформация металлической подложки в виде бугорков. При этом более жесткий игольчатый электрод может оставаться неизменным. Для полупроводниковых подложек, когда внешнее электрическое поле проникает в объем полупроводника, ситуация усложняется, при этом возможна, в частности, локальная глубинная деформация подложек. С помощью сильного электрического поля в межэлектродном зазоре возможна заметная поляризация молекул среды и их перестройка (например, геометрическая изомерия), а за счет диполь-дипольного взаимодействия молекул и примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата электродов, либо из жидкой диэлектрической фазы, находящейся в межэлектродном зазоре. С помощью СТМ или АСМ иглы возможно и прямое механическое воздействие на подложку. Тогда при превышении порога пластической деформации подложки при локальном царапании или постукивании зондом возможна ее необратимая механическая деформация. Таким образом, основными факторами, определяющими процессы нанотехнологии, являются: локальные электрические поля, сравнимые с внутримолекулярными и атомными; сверхбольшие плотности токов и их электродинамическое воздействие; сверхплотные локальные потоки тепла, вызванные протекающими токами; локальные механические деформации. 89

91 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Виды сканирующей зондовой литографии В соответствии с видами локального взаимодействия СЗМ зонда с поверхностью выделяют следующие виды зондовой литографии: - СТМ литография; - АСМ анодно-окислительная литография; - АСМ силовая литография. - Другие специфические виды (электростатическая зарядовая литография, литография с помощью зонда ближнепольного оптического микроскопа и др.) СТМ литография Существует множество разновидностей СТМ литографии. Наиболее простой способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это приводит к появлению ямки на поверхности образца, но при этом может повреждаться и сам зонд. Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец импульса тока высокой плотности или электрического поля высокой напряженности. Поверхность образца под зондом при этом может расплавляться и даже частично испаряться (Рис. 5-1). СТМ зонд может перемещать частицы материала по поверхности образца, либо удалять их оттуда, манипулировать большими молекулами и даже отдельными атомами (Рис. 5-2). а) б) Рис Пример СТМ литографии. На СТМ изображении (размер скана 256x256 нм 2 ) трехмонослойной проводящей пленки Ленгмюра-Блоджет (б) видны кратерообразные дефекты глубиной в один монослой после локального приложения трех импульсов напряжения (а) 90

92 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ а) б) в) г) Рис Пример СТМ литографии. Название фирмы IBM составлено из атомов ксенона (светлые точки), осажденных на поверхность никеля. Игла подводилась к выбранному атому Xe, и на нее подавалось электрическое напряжение, которое заставляло атом прилипнуть к игле. Затем игла перемещалась в заданное место, и подачей отрицательного импульса напряжения атом стряхивался с иглы обратно на подложку. На рисунках а) г) показаны последовательные стадии поатомной сборки самой маленькой в мире рекламы (размер скана ~ нм 2 ) Локальное анодное оксидирование В этом виде литографии изменяется не только рельеф образца, но и локальные электрофизические свойства его поверхности. Например, при подаче напряжения на проводящий АСМ зонд на поверхности образца может начаться электрохимический процесс, и металлический слой под зондом начнет окисляться. Этот метод используется на воздухе, когда зонд и поверхность материала покрыты тонким слоем абсорбированной воды. Когда зонд приближается достаточно близко к поверхности образца, эти абсорбированные слои соприкасаются, и вследствие капиллярного эффекта, между острием и образцом возникает водяная перемычка. Таким образом, при подаче напряжения возникает электрохимическая реакция между зондом и поверхностью образца в водной среде. Если поверхность имеет положительный заряд, а острие отрицательный, то они будут электрохимически взаимодействовать соответственно как анод и катод, и непосредственно под острием начнет расти оксидный слой (Рис. 5-3). а) б) Рис Схема процесса локального анодного оксидирования с помощью проводящего АСМ зонда (а) и изображение (размер скана 200х200 нм 2 ) сверхтонкой пленки титана на поверхности кремния (б), окисленной в заданных точках 91

93 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Необходимо отметить, что диаметр оксидных наночастиц, измеренный по полувысоте, составляет 8-10 нм. При использовании таких наночастиц в качестве элементов записи эффективная плотность записи информации может составить 1 Тб/кв. дюйм. Наномодификация поверхности не ограничивается только формированием точек. Используя соответствующее программное обеспечение можно организовать перемещение зонда вдоль заданных векторов и формировать линии и более сложные объекты. На (Рис. 5-4 а) представлен пример векторной литографии на пленке титана, осуществленной путем локального окисления с помощью проводящего зонда. Ширина окисной полоски 8-10 нм позволяет формировать туннельно-прозрачные барьеры для электронов, а также одноэлектронные устройства, функционирующие по квантовомеханическим законам при комнатной температуре. а) б) Рис Пример векторной (а) (размер скана 500х500 нм 2 ) и растровой (б) (размер скана 2,5х3,0 мкм 2 ) литографии, осуществленной путем локального окисления с помощью проводящего зонда Для сложных рисунков можно проводить растровую литографию, которая осуществляется в процессе сканирования поверхности. То есть зонд проходит по всем точкам выбранной области сканирования, а не только по точкам и линиям, соответствующим рисунку шаблона, как в векторной литографии. В качестве шаблона в растровой литографии служит заранее загружаемый графический файл. Разница между наибольшим и наименьшим возможным напряжением на образце делится пропорционально в соответствии с наибольшим и наименьшим значениями яркости на исходном изображении, и в соответствии с этим будет меняться высота анодного оксидного слоя на поверхности образца, формируя на ней топографический контраст. Пример растровой литографии приведен на Рис. 5-4 б, на котором изображен нобелевский лауреат Жорес Алферов. Силовая литография СЗМ позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зондом на поверхность образца. Это может производиться двумя способами статическим воздействием (наногравировка) и динамическим воздействием (наночеканка). 92

94 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ Процесс гравировки хорошо известен как средство формирования рисунка на поверхности предмета. Реализация такого процесса с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии позволяет осуществлять наногравировку с нанометровым разрешением. При осуществлении наногравировки с использованием методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на расположенном на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин) (Рис. 5-5). Такая методика использует принцип вспашки: материал извлекается из подложки вполне определенным образом, оставляя канавки с характерным сечением, определяемым формой кончика зонда. Для проведения силовой литографии необходимо, очевидно, чтобы твердость материала зонда была выше твердости образца. При этом не должно происходить залипание кантилевера и налипание частиц материала подложки на зонд. Шероховатость образца должна быть небольшой (обычно не более 1-10 нм). Также необходимо, чтобы поверхность была чиста от загрязнений. Для осуществления силовой литографии хорошо подходят некоторые полимеры, такие как поликарбонат и полиэтилен. Такая технология нанолитографии достаточно проста и дешева, однако у нее есть определенные недостатки. При формировании наноканавки статическим воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка. Кроме того, при работе с твердыми поверхностями этот метод приводит к быстрому разрушению зонда. С использованием динамической силовой литографии (наночеканки) модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на поверхности образца колеблющимся зондом (Рис. 5-6), при этом используется прерывисто-контактный метод сканирования. Такой метод нанолитографии свободен от торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста. Кратковременное «укалывание» поверхности также защищает зонд от быстрого разрушения. а) б) Рис Схематическое изображение процесса статической силовой литографии (а) и изображение поверхности алюминия (размер скана 1,6х1,6 мкм 2 ) с нанесенной на нее царапиной (б) Динамическая литография может производиться с использованием векторного (Рис. 5-6 а) или растрового (Рис. 5-6 б) сканирования. Векторная литография осуществляется по заранее заданному рисунку, ее преимущество заключается в относительно большой скорости, однако она не позволяет варьировать силу воздействия на подложку в процессе 93

95 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие литографии. Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведение сканирование осуществляется по всей площади участка подложки, на которой формируется рисунок, однако она позволяет осуществлять различное (в зависимости от рисунка шаблона) по силе воздействие зонда на подложку. а) б) Рис Пример векторной динамической силовой литографии (а) (размер скана 220х220 нм 2 ) в виде регулярного массива углублений (питов) и растровой литографии (размер скана 2,5х2,6 мкм) В получении хороших результатов в растровой литографии с использованием наночеканки большую роль играет предварительная подготовка графического изображенияшаблона. Белому цвету на изображении соответствует отсутствие воздействия на образец, черному цвету воздействие с максимальной силой. При подготовке изображения наиболее важные детали необходимо окрашивать в черный цвет таким образом, чтобы области черного цвета были достаточно большими и не чередовались с малыми белыми участками, а фон и ненужные детали, как правило, заливаются белым цветом. Также иногда бывает полезно повысить контрастность изображения. Выполнение растровой динамической силовой литографии на приборе NanoEducator Перед выполнением литографии необходимо провести сканирование участка поверхности, предназначенного для нанесения литографического рисунка. Для успешного проведения литографии необходимо, чтобы рабочая поверхность образца была достаточно гладкой и не имела существенных поверхностных дефектов и загрязнений. Поэтому при первом сканировании обычно выбирается размер площади сканирования превышающей размер области, в которой предполагается провести литографию. Это дает возможность быстро найти наиболее подходящий участок. Рабочий участок рекомендуется выбирать в середине доступного поля сканирования. Затем производится сканирование рабочего участка, на котором планируется проводить литографию. Рекомендуется выбирать участок, подходящий по соотношению сторон под изображение-шаблон, для этого необходимо задать количество точек сканирования по направлениям X,Y соответствующим количеству пикселей в рисунке шаблона. Процесс растровой литографии занимает достаточно длительное время, за которое в результате дрейфа сканер может смещаться относительно выбранного участка поверхности, при этом формируемый в соответствии с шаблоном рельеф поверхности может быть сильно искажен. Во избежание этого следует отсканировать рабочую поверхность несколько раз, убедиться в отсутствии дрейфа и только после этого проводить процесс литографии. Чеканка изображения на поверхности образца осуществляется на приборе NanoEducator растровым способом путем сканирования определенного участка и воздействия на образец в 94

96 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ заданных точках с силой, зависящей от яркости соответствующих пикселей изображенияшаблона. Для определения максимальной глубины воздействия рекомендуется выполнить процедуру Спектроскопии и оценить по кривой зависимости амплитуды колебаний зонда от расстояния (Рис. 5-7) зазор между зондом и образцом Рис Кривая спектроскопии в точке контакта для оценки расстояния между зондом и образцом Процедура литографии вызывается при выборе закладки Lithography в правом нижнем поле окна Scanning. В левом нижнем поле окна Scanning при этом появляются управляющие элементы процедуры литографии (Рис. 5-8). Рис Окно процедуры литографии Выполнение процедуры литографии состоит из следующих шагов: 95

97 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 1. Введите изображение-шаблон, которое будет наноситься на поверхность образца. Изображение должно быть заранее сформировано и сохранено в графическом формате (*.bmp). Диалог выбора и ввода изображения вызывается при нажатии кнопки Load Image. 2. Установите величину максимально возможной глубины воздействия зонда на образец Action, nm. Эту величину рекомендуется установить на % больше, чем полученный результат оценки расстояния между зондом и образцом с учетом шероховатости поверхности. 3. Установите величину времени воздействия Action Time в мкс. По умолчанию величина Action Time установлена 22 мкс. 4. Установите расстояние между точками изображения на поверхности образца (шаг литографии) Step X,Y nm. По умолчанию этот параметр равен шагу сканирования в предыдущем измерении рельефа поверхности. Изменение шага литографии Step X,Y nm влечет за собой изменение площади поверхности, на которой формируется литографическое изображение. 5. Нажмите кнопку Projection, при этом происходит проецирование изображенияшаблона на поле сканирования и формирование матрицы воздействия на поверхность. После этого пользователь может изменять положение участка, на котором будет выполняться литография, перемещая рамку, показывающую его границы, в пределах полного поля сканирования, что делать, однако, не рекомендуется. Если новое поле сканирования не совпадает с ранее заданным полем, то кнопка Apply индицируется красным цветом, и ее необходимо нажать для подтверждения заданных параметров. 6. Нажмите кнопку START окна Scanning. После этого начинается процесс литографии, постепенное выполнение которого условно отражается в правом нижнем поле окна Scanning. В точках, соответствующих черному цвету на изображении-шаблоне зонд будет постукивать по поверхности с амплитудой, равной величине максимально возможной глубины воздействия Action, при этом будет слышен характерный звук. После выполнения процедуры Литографии необходимо проверить результат произведенного воздействия, для чего необходимо выполнить сканирование участка поверхности, на котором была проведена литография, или большего поля. На приборе NanoEducator рекомендуется выполнять литографию зондом, имеющим радиус вершины не более 100 нм, при следующих параметрах: скорость сканирования 2000 нм/c, величина воздействия Action от 300 до 2000 нм, шаг между точками литографии ~ 100 нм Методические указания Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользователя прибора. 96

98 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ 5.5. Техника безопасности Прибор управляется напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей напряжением до 220 В Задание Часть 1 1. Выбор участка на поверхности образца для выполнения литографии Установите на держатель образца исследуемый образец Установите зондовый датчик в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ) Определите амплитудно-частотную характеристику зондового датчика и установите рабочую частоту Осуществите сближение зонда с образцом с помощью винта ручного подвода до расстояния примерно 1 мм Осуществите захват взаимодействия при значениях: Amplitude Suppression = 0,3; Feed Back Loop Gain = Откройте окно сканирования. Задайте необходимые параметры сканирования, исходя из данных об изображении-шаблоне для выполнения литографии (nanoworld.bmp, Рис. 5-9). Рекомендуется установить размер рабочей области сканирования 10х10 мкм 2, число точек сканирования, равное числу пикселей на изображении. Рис Изображение-шаблон для выполнения динамической силовой литографии. Изображение в файле nanoworld.bmp имеет размер 180х180 пикселей 97

99 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 1.8. Получите СЗМ изображение рабочего участка поверхности образца. Сохраните полученные результаты Выполните спектроскопию в точке текущего расположения зонда. Оцените расстояние между зондом и образцом. 2. Выполнение литографии тестового изображения. Осуществите процесс литографии изображения nanoworld.bmp на выбранный рабочий участок поверхности. Величину максимально возможной глубины воздействия зонда на образец Action установите больше величины шероховатости поверхности (глубины дорожек на поверхности компакт-диска) и на % больше оцененного расстояния между зондом и образцом. 3. Получение изображения топографии участка поверхности, на котором была выполнена литография После окончания процесса литографии выберите закладку Topography в правом нижнем поле окна Scanning Не изменяя параметров сканирования и не смещая поле сканирования, произведите измерение топографии участка поверхности, на который была проведена литография. В случае частичного смещения литографированного изображения вследствие дрейфа сканера, увеличьте поле сканирования так, чтобы оно полностью охватывало рабочий участок, на котором была проведена литография Получите СЗМ изображение (Рис. 5-10) рабочего участка поверхности образца. Сохраните полученные результаты Оцените качество литографированного изображения. На Рис а изображение еле видно, т.е. глубина вдавливания была недостаточной. На (Рис б) изображение четко видно, но в некоторых областях наблюдается выдавливание материала на поверхность, что несколько смазывает изображение, т.е. глубина воздействия была немного излишней При необходимости повторите процесс литографии при изменении (увеличении или уменьшении) параметра максимально возможной глубины воздействия зонда на образец Action. а) б) Рис СЗМ изображение участка поверхности (размер скана 10х10 мкм 2 ), на который была осуществлена литография с глубиной воздействия 300 нм (а) и 1000 нм (б) 98

100 Часть 2 4. Литография авторского изображения. 5. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ 4.1. Подготовьте изображение для литографии со следующими характеристиками: черно-белый рисунок (две градации цвета), размер 200х200 пикселей, разрешение пикселей/дюйм, сохраненный в формате *.bmp. Варианты возможных изображений-шаблонов с АСМ изображениями топографии участка поверхности, на котором была выполнена литография, показаны на Рис Осуществите все необходимые действия Части 1 Задания для осуществления литографии авторского изображения с наиболее оптимальными подобранными в первой части работы параметрами. Рис Возможные варианты шаблонов (слева) и топография (справа) участка поверхности, на котором была выполнена литография на приборе NanoEducator 99

101 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие 5.7. Контрольные вопросы 1. Сканирующий зондовый микроскоп как инструмент для считывания и записи информации. Расскажите о физических основах зондовой нанотехнологии. 2. Что такое сканирующая зондовая литография? Расскажите об основных ее видах. 3. Расскажите об особенностях динамической силовой литографии на приборе NanoEducator. 4. Назовите критерии выбора образцов для проведения динамической силовой литографии Литература Лит Никишин В.И., Лускинович П.Н. Нанотехнология и наноэлектроника // Электронная промышленность. 1991, 3, с. 4. Лит Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии. Учебное пособие М.: МИЭТ, 2000 г. Лит Matsumoto K., Ishii M., Segawa K., Oka Y., Vartanian B.J., Harris J.S. Room temperature operation of single electron transistor made by the scanning tunneling microscope nanooxidation process for the TiO x /TiO system. Appl. Phys. Lett., 68, 34 (1996). Лит Cooper E.B., Manalis S.R. Fang H., Dai H., Matsumoto K., Minne S.C., Hunt T., Quate C.F. Terabit-per-square-inch data storage with the atomic force microscope. Appl. Phys. Lett., 75, 3566 (1999). Лит Рамбиди Н.Г., Замалин В.Н. Молекулярная микроэлектроника: физические предпосылки и возможные пути развития // Поверхность. Физика, химия, механика. 1986, 8, с. 5. Лит Неволин В.К. Физические основы туннельно-зондовой нанотехнологии // Электронная промышленность. 1993, 10, с

102 6. ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ 6. ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ 6.1. Цель работы Получить практические навыки в области обработки и количественного анализа СЗМ изображений Содержание работы Улучшение качества СЗМ изображений СЗМ изображения, в силу специфики метода, обычно содержат шумы. Это связано с вибрацией зонда относительно образца, акустическими помехами, шумами электрической аппаратуры, всегда присутствующими при измерении слабых сигналов. Искажения в изображения также вносятся из-за теплового дрейфа зонда относительно образца, нелинейности и крипа в пьезокерамических элементах, из которых изготавливается сканер. В связи с этим, для получения СЗМ изображений высокого качества и проведения их количественного анализа требуется специальная цифровая обработка этих изображений. Основными методами фильтрации СЗМ изображений являются: Сглаживание Сглаживание изображения в простейшем случае выполняется путем замены значения в каждой точке усредненным значением величин в некоторой окрестности этой точки. Медианная фильтрация При медианной фильтрации для каждой точки изображения строится вариационный ряд для некоторой ее окрестности, то есть все элементы этой окрестности располагаются в порядке возрастания, и значение в этой точке заменяется на значение элемента, занимающего центральное положение в вариационном ряду. Медианная фильтрация особенно эффективна при обработке изображений, содержащих импульсные помехи. Удаление горизонтальных полос на изображении путем выравнивания средних значений элементов в каждой строке изображения. Наличие горизонтальных полос на изображении является характерным искажением СЗМ изображений. Это связано с тем, что изображения в СЗМ эксперименте обычно получаются путем построчного сканирования, и время между измерениями в соседних точках одной строки существенно меньше времени между измерениями соседних точек в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. Удаление наклона изображения путем вычитания плоскости. Наклон изображения может быть следствием наклонного положения образца по отношению к плоскости, в которой перемещается зонд при сканировании, а так же может возникать вследствие теплового дрейфа. Вычитание поверхности второго порядка. Методами СЗМ преимущественно исследуют тонкую структуру поверхности, поэтому грубый рельеф часто не информативен, и его необходимо устранять. 101

103 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Количественный анализ СЗМ изображений Построение гистограммы изображения Одним из методов анализа изображений является построение гистограммы значений в точках изображения. При построении гистограммы горизонтальная ось содержит весь диапазон значений в точках изображения, а по вертикальной оси откладываются количества точек, имеющих данное значение для всех значений из этого диапазона. Определение параметров шероховатости поверхности Для количественной характеристики СЗМ изображений часто используют параметры шероховатости изображения, которые определяются следующим образом: Средняя шероховатость где M 1 N 1 1 S a = z ( x k, y l ) µ MN, (1) k = 0 l = M N µ = z( x k, y l ) µ средняя высота изображения: MN ; Среднеквадратичная шероховатость k = 0 l= M N [ z( xk, yl ) ] S q = µ MN. (2) k = 0 l= 0 Для корректного определения шероховатости необходимо предварительно удалить неровность фона изображения, для этого вычесть плоскость либо удалить поверхность второго порядка. 2 Построение Фурье-спектра изображения Фурье-спектр пространственных частот изображения является его частотным представлением в ортонормальном базисе, состоящем из комплексных экспонент. Представление изображения в таком пространстве дает возможность наблюдать его структурные особенности, связанные с периодичностью повторения элементов, наличием мелких деталей, др. Пространственные частоты имеют размерность, обратную единицам измерения расстояний на изображении. Представление изображения в базисе комплексных экспоненциальных функций задается парой преобразований Фурье (рассматривается случай непрерывной функции интенсивности a( x, y), заданной на бесконечном поле): F( f, f ) = a( x, y)exp[ i2π ( f x + f y) ]dxdy x y - прямое преобразование, a( x, y) = F( f, f )exp[ i2π ( f x + f y) ]dxdy обратное преобразование, x y x x y y (3) (4) 102

104 где x, y f, f x y 6. ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ - координаты в плоскости изображения, - пространственные частоты. Понятия, связанные частотным представлением бесконечных непрерывных сигналов, могут быть распространены на случаи сигналов ограниченной протяженности и дискретных сигналов, встречающиеся при цифровой обработке на практике. Рассмотрим прямоугольное изображение шириной N и высотой M. Преобразование Фурье такого изображения имеет вид: F( u, v) = M / 2 N / 2 M / 2 N / 2 f ( x, y)exp( i2π ( ux + vy)) dxdy. (5) Преобразование Фурье ограниченного в пространстве сигнала ( f(x,y)=0 при x >N/2 и y >M/2 ), если его представить периодически размноженным по всей плоскости, является дискретным, т.е. содержит лишь счетное количество гармоник на частотах [ k / N, l / M ], < k, l <. Спектр неограниченного в пространстве дискретного изображения является периодической функцией. Если расстояния между точками, в которых заданы отсчеты изображения по осям OX и OY равны соответственно x и y, то периоды преобразования Фурье равны 1/ x и 1/ y. Если начало отсчета поместить в центральной точке матрицы периодически повторяющегося фурье-образа, то максимальные пространственные частоты ± 1 ± 1 будут равны 2 x и 2 y. Максимальная частота, которая может быть получена при заданном шаге дискретизации сигнала, называется частотой Найквиста. В полученном периодическом преобразовании Фурье дублирующиеся спектральные составляющие можно отбросить и считать, что дискретный сигнал имеет ограниченный по частоте спектр. Таким образом, просуммировав приведенные рассуждения, можно сделать вывод, что Преобразование Фурье ограниченного в пространстве дискретного изображения является также дискретным и ограниченным по частоте. Максимальные пространственные частоты определяются шагом дискретизации изображения. Ограниченность спектра дискретного изображения по частоте можно продемонстрировать, рассмотрев простой пример. Самый маленький период повторения на изображении мы можем получить, если будем чередовать белые и черные точки, например, вдоль оси ОХ. Этот период будет равен 2 x, а соответствующая пространственная частота равна 1/ 2 x. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) изображения, заданного в точках, k = 0,..., M 1, l = 0,..., n 1 определяется по формуле: f k, l F M 1 N 1 = f exp i2 m, n k, l π k = 0 l= 0 N km ln + M, (6) 103

105 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие Для графического представления Фурье-образа изображения строится матрица модулей комплексных величин преобразования, полученных по формуле (6). Для действительного изображения такая матрица является центрально симметричной. Отсчет частот ведется от ее центра. Значения пространственных частот увеличиваются от центра Фурье-образа к его краям. Фурье-образ изображения, состоящего из горизонтальных синусоидальных полос, представляет собой две точки, расположенные на вертикальной оси в частотной плоскости на одинаковом расстоянии f0 от центра. При этом период Т повторения полос на 1 T = изображении равен f Задание Работа может проводиться в двух вариантах: 1. Анализ ранее полученного изображения. 2. Проведение измерений получение нового изображения, обработка и анализ этого изображения. В работе необходимо: 1. Выполнить фильтрацию изображения. 2. Измерить и сравнить параметры шероховатости изображений до и после фильтрации. 3. Построить Фурье-спектр изображения и измерить величины преобладающих пространственных частот спектра, сравнить соответствующие этим частотам периоды повторения элементов изображения с интервалами, полученными при измерениях на изображении. Определить углы между направлениями на изображении двумя способами и сравнить результаты. 104

106 6. ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ 6.4. Оборудование и принадлежности 1. Прибор NanoEducator 2. Образцы с периодическими структурами. Рис Окно анализа изображений. Выполнение анализа свойств поверхности изображения 6.5. Методические указания В случае выполнения варианта А лабораторной работы необходимо: - Выполнить все подготовительные действия для проведения СЗМ эксперимента, в соответствии с инструкцией пользователя. - Выполнить сканирование образца по одному из методов, описанных в Руководстве. - Полученное изображение сохранить в выбранном каталоге. Следующие этапы работы, посвященные обработке и анализу данных, совпадают для вариантов А и Б. Для их выполнения необходимо: - Ознакомиться с главой «Работа с полученными ранее файлами» Руководства пользователя. - Перейти к просмотру и обработке данных с помощью программы NanoEducator. 105

107 СЗМ NanoEducator. Учебное пособие - Открыть файл, с которым будет проводиться работа, провести контрольное сечение изображения. - Определить характер имеющихся искажений и провести необходимую обработку и фильтрацию данных с помощью методов, доступных в программе. - Провести контрольные сечения файла после обработки и сравнить с сечением исходного изображения. - Вызвать окно Image Analysis (Рис. 6-1) при активном окне обработанного изображения. Изучить и описать гистограмму изображения. Зафиксировать значения величин средней и среднеквадратичной шероховатости. - Открыть закладку Fourier Spectrum (Рис. 6-2, Рис. 6-3). Определить по характеру спектра, имеются ли на изображении периодические структуры. Если имеются, то измерить величины преобладающих частот (переход в режим измерения частот осуществляется при нажатии кнопки Freq), указав на них на изображении Фурьеобраза с помощью левой кнопки мыши. Сравнить периодичность изображений, измеренную при помощи инструмента расположенного над исходным изображением, с результатами, полученными с помощью Фурье-образа. Измерить величины углов между направлениями (инструмент ) по изображению Фурьеобраза и сравнить с величинами углов между соответствующими сечениями исследуемого изображения. Рис Окно анализа изображений. Выполнение анализа Фурье-спектра изображения одномерной периодической структуры 106

108 6. ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ Рис Пример анализа двумерного периодического изображения с помощью Фурье-спектра 6.6. Контрольные вопросы 1. Какие типы искажений характерны для СЗМ изображений и по каким причинам они возникают? 2. Каковы основные методы фильтрации СЗМ изображений? 3. Назовите некоторые методы определения количественных характеристик изображений. 4. Для каких изображений следует воспользоваться частотным представлением? 5. Какую информацию об изображении можно получить по его Фурье-образу? 6.7. Литература 1. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. М.: Мир, 1976, 511 стр. 2. Прэтт У. Цифровая обработка изображений М.: Мир, 1982, книги 1, 2, 790 стр. 3. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений М.: Сов.радио, стр. 107

1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента

1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента Содержание 1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента Содержание 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА...1-1

Подробнее

1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента

1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента Оглавление 1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента Содержание 1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА...

Подробнее

Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР. Лабораторная работа: ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР. Лабораторная работа: ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Лабораторная работа: ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ Цели работы Изучение физических основ атомно-силовой микроскопии

Подробнее

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ХИМИИ

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ХИМИИ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ХИМИИ Лекции для студентов 3-го курса дневного отделения химического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского Лекция 20. Сканирующая зондовая микроскопия Лектор: д.х.н., профессор

Подробнее

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ Цели работы 1. Изучение физических основ атомно-силовой микроскопии и принципа работы атомно-силового микроскопа..

Подробнее

П р а к т и ч е с к а я р а б о т а 4 Изготовление зондов и исследование влияние их характеристик на результаты сканирования

П р а к т и ч е с к а я р а б о т а 4 Изготовление зондов и исследование влияние их характеристик на результаты сканирования П р а к т и ч е с к а я р а б о т а 4 Изготовление зондов и исследование влияние их характеристик на результаты сканирования Ц е л ь р а б о т ы: Получить практические навыки в области обработки и количественного

Подробнее

2. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии

2. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии Содержание 2. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии Содержание 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ... 2-1 2.1. ЦЕЛИ

Подробнее

Исследование свойств поверхности методами СЗМ

Исследование свойств поверхности методами СЗМ Исследование свойств поверхности методами СЗМ Исследование топографии в широком диапазоне разрешений это только небольшая часть того потенциала, который дает сканирующая зондовая микроскопия. В рамках

Подробнее

NanoEducator ÐÓÊÎÂÎÄÑÒÂÎ ÏÎËÜÇÎÂÀÒÅËß. Áàçîâûé ïðèáîð äëÿ íàó íîîáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèè

NanoEducator ÐÓÊÎÂÎÄÑÒÂÎ ÏÎËÜÇÎÂÀÒÅËß. Áàçîâûé ïðèáîð äëÿ íàó íîîáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèè NanoEducator ìîäåëü ÑÇÌÓ-Ë5 Áàçîâûé ïðèáîð äëÿ íàó íîîáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèè ÐÓÊÎÂÎÄÑÒÂÎ ÏÎËÜÇÎÂÀÒÅËß Ðîññèÿ, 124460, Ìîñêâà, ÍÈÈÔÏ, ÇÀÎ ÍÒ-ÌÄÒ ò.: +7(095) 535-03-05 ô.: +7(095)

Подробнее

Отчет по НИР «Исследование влияния импульсного магнитного поля на магнитный контраст над поверхностью магнитных материалов».

Отчет по НИР «Исследование влияния импульсного магнитного поля на магнитный контраст над поверхностью магнитных материалов». РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 142432, Черноголовка, Московской обл. Факс: (096) 524-97-01 Отчет по НИР «Исследование влияния импульсного магнитного

Подробнее

Основы сканирующей зондовой микроскопии

Основы сканирующей зондовой микроскопии Московский физико-технический институт (государственный университет) Основы сканирующей зондовой микроскопии Выполнила студентка 855 группы Кузнецова Елена Алефтиновна г. Долгопрудный 2011 Содержание:

Подробнее

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

3. Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме

3. Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме Содержание 3. Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме Содержание 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ В НЕКОНТАКТНОМ

Подробнее

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР МЕТОДАМИ СКАНИРУЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР МЕТОДАМИ СКАНИРУЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева Институт промышленной инженерии имени А. Буркитбаева Кафедра «Станкостроение, материаловедение

Подробнее

Основы нанотехнологий

Основы нанотехнологий Основы нанотехнологий Исследование поверхности различных видов бумаги Автор: Ривкин Андрей Маркович, Лицей 1581, 11 класс Руководитель: Кульгашов Евгений Владимирович УНЦ «Наносистемы» кафедры ИУ4 МГТУ

Подробнее

P и вектор электрического поля E направлены вдоль оси X. Тогда, обозначая d = d 33 и d

P и вектор электрического поля E направлены вдоль оси X. Тогда, обозначая d = d 33 и d Материалы Международной научно-технической конференции, 3 7 декабря 2012 г. МОСКВА INTERMATIC 2 0 1 2, часть 4 МИРЭА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕЭЛЕМЕНТЫ ЗОНДОВЫХ МИКРОСКОПОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Подробнее

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» А. И. Лямкин, Ю. Л. Михлин, М. В. Горев

Подробнее

6. Обработка и количественный анализ СЗМ изображений

6. Обработка и количественный анализ СЗМ изображений Содержание 6. Обработка и количественный анализ СЗМ изображений Содержание 6. ОБРАБОТКА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СЗМ ИЗОБРАЖЕНИЙ... 6-1 6.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ... 6-2 6.2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ... 6-2 6.3. ЗАДАНИЕ...

Подробнее

Лекция 8 Простейшие одномерные задачи квантовой механики: прямоугольный потенциальный барьер

Лекция 8 Простейшие одномерные задачи квантовой механики: прямоугольный потенциальный барьер Лекция 8 Простейшие одномерные задачи квантовой механики: прямоугольный потенциальный барьер Прохождение частицы через одномерный потенциальный барьер: постановка задачи. Определение коэффициентов отражения

Подробнее

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТЧЁТ по лабораторной работе 65

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТЧЁТ по лабораторной работе 65 Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 65 ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА. СЛОЖЕНИЕ ВЗАИМНО

Подробнее

Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР

Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Лекция 2: Методы диагностики, обладающие нано-масштабным пространственным разрешением: просвечивающая электронная микроскопия, зондовые методы диагностики (сканирующая туннельная

Подробнее

ЭЛЕКТРОСТАТИКА. Лабораторная работа 1.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОСТАТИКА. Лабораторная работа 1.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИКА Лабораторная работа 1.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ Цель работы: экспериментальное исследование электростатического поля методом моделирования. Оборудование:

Подробнее

Федеральное агентство по образованию

Федеральное агентство по образованию Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский инженерно-физический институт (государственный университет)» ПРИМЕРНЫЕ

Подробнее

Рис. 1. Изображение поверхности скола (111) монокристалла висмута

Рис. 1. Изображение поверхности скола (111) монокристалла висмута ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДАМИ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Материал подготовил доктор педагогических наук, профессор кафедры физической электроники И.И. Хинич Как уже указывалось, основными методами

Подробнее

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТА

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТА Цель работы: изучение законов колебательного движения на примере физического маятника. Приборы и принадлежности: маятник универсальный ФПМ04. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТА Колебаниями называются

Подробнее

МЕТОДЫ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

МЕТОДЫ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» МЕТОДЫ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Методические

Подробнее

«Сканирующая зондовая микроскопия»

«Сканирующая зондовая микроскопия» Программа краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников высшей школы по направлению «Методы диагностики и исследования наноструктур» на базе учебного курса «Сканирующая зондовая

Подробнее

Лабораторная работа 46.1

Лабораторная работа 46.1 Лабораторная работа 46.1 Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка Методическое руководство Москва 014 г. Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка 1. Цель лабораторной

Подробнее

j внутри жидкости удовлетворяет уравнению непрерывности: (1)

j внутри жидкости удовлетворяет уравнению непрерывности: (1) Лабораторная работа 3-1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ВАННЫ. Цель работы: изучение электростатического поля. Введение. При конструировании электрических электронных

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 143 ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 143 ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 43 ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА Цель и содержание работы Целью работы является изучение сложения взаимно перпендикулярных

Подробнее

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького» ИОНЦ «Нанотехнологии и перспективные

Подробнее

«Фундаментальные основы нанотехнологий»

«Фундаментальные основы нанотехнологий» Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова Научно-Образовательный Центр по нанотехнологиям Межфакультетский курс лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» Лекция 3. Методы исследования

Подробнее

Система видеонаблюдения за сварочным процессом EL-541

Система видеонаблюдения за сварочным процессом EL-541 ЗАО «Лаборатория Электроники» Руководство по эксплуатации Система видеонаблюдения за сварочным процессом EL-541 Москва 2015 Содержание 1 Описание и работа... 3 1.1 Назначение... 3 1.2 Особенности... 3

Подробнее

Лабораторная работа 2 по УТС Изучение динамических характеристик датчика температуры охлаждающей жидкости автомобиля Смирнов А.А.

Лабораторная работа 2 по УТС Изучение динамических характеристик датчика температуры охлаждающей жидкости автомобиля Смирнов А.А. Лабораторная работа 2 по УТС Изучение динамических характеристик датчика температуры охлаждающей жидкости автомобиля Смирнов А.А., 2011 План лабораторной работы 1. Изучение устройства и принципа работы

Подробнее

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания и волны Юльметов А. Р. Электромагнитные колебания и волны Методические указания к выполнению лабораторных работ Оглавление P3.7.1.1. Свободные электромагнитные колебания................. 2 P3.7.1.2. Поддержание

Подробнее

Исследование электронно-лучевой трубки

Исследование электронно-лучевой трубки Министерство общего и профессионального образования Российской федерации. КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА Кафедра теоретической радиотехники и электроники Исследование

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА НА СВЧ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА НА СВЧ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА НА СВЧ Ц е л ь р а б о т ы : Ознакомление с основными закономерностями туннельного эффекта на СВЧ-модели. П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н

Подробнее

Лабораторная работа 23 Вынужденные колебания в колебательном контуре

Лабораторная работа 23 Вынужденные колебания в колебательном контуре Лабораторная работа 23 Вынужденные колебания в колебательном контуре Цель работы: экспериментально исследовать зависимость напряжения на конденсаторе в электромагнитном последовательном колебательном контуре

Подробнее

РОЛЬ И МЕСТО СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ НА СОВРЕМЕННОМ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И В НАУЧНОЙ ЛАБОРАТОРИИ АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЫ

РОЛЬ И МЕСТО СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ НА СОВРЕМЕННОМ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И В НАУЧНОЙ ЛАБОРАТОРИИ АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЫ Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Подробнее

ООО «Контроль. Измерение. Диагностика.» ТОЛЩИНОМЕР ВИХРЕТОКОВЫЙ ВТ-501. Паспорт ПС

ООО «Контроль. Измерение. Диагностика.» ТОЛЩИНОМЕР ВИХРЕТОКОВЫЙ ВТ-501. Паспорт ПС ООО «Контроль. Измерение. Диагностика.» ТОЛЩИНОМЕР ВИХРЕТОКОВЫЙ ВТ-501 Паспорт ПС-4276-007-52736667-04 Москва 2004 СОДЕРЖАНИЕ 1 НАЗНАЧЕНИЕ ТОЛЩИНОМЕРА...3 2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ...3 3 КОМПЛЕКТНОСТЬ...4

Подробнее

Примеры использования СЗМ для решения задач в материаловедении и нанотехнологии

Примеры использования СЗМ для решения задач в материаловедении и нанотехнологии Примеры использования СЗМ для решения задач в материаловедении и нанотехнологии В этой главе приводится несколько примеров решения реальных задач методами СЗМ. Эта глава не преследует своей целью проиллюстрировать

Подробнее

Лабораторная работа 5 Изучение электрических колебаний. Содержание работы и порядок её выполнения.

Лабораторная работа 5 Изучение электрических колебаний. Содержание работы и порядок её выполнения. На самом деле, это только практическая часть описания! Первые станиц в полном описании совпадают с книгой В.А.Соловьева и В.Е Яхонтовой «Методические указания к лабораторным работам по физике. Переменный

Подробнее

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА Осциллограф является прибором для визуального наблюдения электрических сигналов. Наблюдаемые сигналы представляются на экране осциллографа в определенном масштабе,

Подробнее

Лабораторная работа 35

Лабораторная работа 35 Лабораторная работа 35 Исследование резонанса в цепи переменного тока Методическое руководство Москва 04 г. Исследование резонанса в цепи переменного тока. Цель лабораторной работы Изучение зависимости

Подробнее

(1) Здесь ρ -плотность жидкости, β -коэффициент сжимаемости жидкости, который определяется следующим образом ( P -давление):

(1) Здесь ρ -плотность жидкости, β -коэффициент сжимаемости жидкости, который определяется следующим образом ( P -давление): Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ Работа.06 ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ ВОЛН В ЖИДКОСТИ 3адача. Измерить длину звуковой волны в жидкости.. По результатам п. и частоте колебаний вычислить фазовую скорость

Подробнее

РАБОТА 42 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ. Введение

РАБОТА 42 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ. Введение РАБОТА 42 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ Цель работы изучение основ сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), получение топографии поверхности исследуемого

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N o 2.12 СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N o 2.12 СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N o.1 СЛОЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ Цель работы Целью работы является практическое ознакомление с физикой гармонических колебаний, исследование процесса

Подробнее

4. ЛИТЕРАТУРА 1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. М.: Наука, Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973.

4. ЛИТЕРАТУРА 1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. М.: Наука, Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ДИФРАКЦИЯ СВЕТА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение явления дифракции световых волн на узкой плоскопараллельной щели и на дифракционной решетке; экспериментальная проверка выполнимости условий

Подробнее

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (закон полного тока)

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (закон полного тока) Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» кафедра физики ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (закон полного тока) Лабораторная работа 0 (учебное пособие) Санкт-Петербург,

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ РТУТИ ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА. 1. Теоретические основы работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ РТУТИ ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА. 1. Теоретические основы работы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ РТУТИ ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА Цель работы определение потенциала возбуждения атомов ртути; экспериментальное подтверждение дискретной структуры

Подробнее

Высокоскоростной лазерный конфокальный микроскоп NS-3000

Высокоскоростной лазерный конфокальный микроскоп NS-3000 Высокоскоростной лазерный конфокальный микроскоп NS-3000 Высокоскоростной лазерный конфокальный микроскоп NS-3000 Модель NS-3000 представляет собой высокоскоростной лазерный конфокальный сканирующий микроскоп,

Подробнее

Работа 10. Твердотельное моделирование. Плоскости и прямоугольная система координат в пространстве.

Работа 10. Твердотельное моделирование. Плоскости и прямоугольная система координат в пространстве. Работа 10. Твердотельное моделирование. Плоскости и прямоугольная система координат в пространстве. Цель работы: Познакомиться с принципами построения моделей в прямоугольной системе координат трехмерного

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ РТУТИ ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ РТУТИ ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ РТУТИ ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА Цель работы определение потенциала возбуждения атомов ртути; экспериментальное подтверждение дискретной структуры

Подробнее

Исследование свойств звуковой волны. Лабораторный практикум по Физике экспериментальной лаборатории SensorLab

Исследование свойств звуковой волны. Лабораторный практикум по Физике экспериментальной лаборатории SensorLab Исследование свойств звуковой волны Цель работы Целью работы являются: 1) экспериментальное определение длины звуковой волны; 2) исследование процессов распространения и отражения звуковой волны от препятствий.

Подробнее

Лабораторная работа 7 Изучение дифракции лазерного света на щели. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера

Лабораторная работа 7 Изучение дифракции лазерного света на щели. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера Лабораторная работа 7 Изучение дифракции лазерного света на щели. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера В работе изучается дифракция Френеля и Фраунгофера на щели. Наблюдение дифракции в белом свете

Подробнее

Взаимодействие ускоренных электронов с веществом.

Взаимодействие ускоренных электронов с веществом. ПРОГРАММА 1 Исследования материалов методами электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии; основы рентгеновской дифракции в материаловедении Общая трудоемкость 128 ч. ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Подробнее

Теоретическое введение.

Теоретическое введение. 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ Цель работы: экспериментальное определение относительной диэлектрической проницаемости различных диэлектриков. Продолжительность работы:

Подробнее

, ориентированный перпендикулярно к вектору j. Сила тока через произвольный элемент поверхности ds di j ds. (4)

, ориентированный перпендикулярно к вектору j. Сила тока через произвольный элемент поверхности ds di j ds. (4) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-3 Проверка закона Ома. Определение удельного сопротивления проводника. Цель работы. Проверка закона Ома для однородного проводника.. Проверка линейности зависимости сопротивления

Подробнее

Работа 334 Изучение силы взаимодействия проводников с током

Работа 334 Изучение силы взаимодействия проводников с током Работа 334 Изучение силы взаимодействия проводников с током Решаемые задачи Приобрести навыки сборки электрической схемы для изучения силы Ампера. Пронаблюдать зависимость величины и направления силы Ампера

Подробнее

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 49 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА Цель работы изучение поляризации лазерного излучения; экспериментальное определение угла Брюстера и показателя преломления стекла.

Подробнее

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ОПЫТЕ С БИПРИЗМОЙ

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ОПЫТЕ С БИПРИЗМОЙ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 42 ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ОПЫТЕ С БИПРИЗМОЙ ФРЕНЕЛЯ Цель работы изучение интерференции света в опыте с бипризмой Френеля. Оценка длины волны лазерного излучения и преломляющего угла

Подробнее

Лабораторная работа 2.16 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ А.А. Задерновский, Е.В. Козис

Лабораторная работа 2.16 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ А.А. Задерновский, Е.В. Козис Лабораторная работа 2.16 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ А.А. Задерновский, Е.В. Козис Цель работы: ознакомиться с явлением электромагнитной индукции, убедиться в справедливости закона Фарадея.

Подробнее

Ó åáíîå ïîñîáèå äëÿ ñòóäåíòîâ ñòàðøèõ êóðñîâ âûñøèõ ó åáíûõ çàâåäåíèé. ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè

Ó åáíîå ïîñîáèå äëÿ ñòóäåíòîâ ñòàðøèõ êóðñîâ âûñøèõ ó åáíûõ çàâåäåíèé. ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè Â.Ë. Ìèðîíîâ Ó åáíîå ïîñîáèå äëÿ ñòóäåíòîâ ñòàðøèõ êóðñîâ âûñøèõ ó åáíûõ çàâåäåíèé ÎÑÍÎÂÛ ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè ÐÎÑÑÈÉÑÊÀß ÀÊÀÄÅÌÈß ÍÀÓÊ ÈÍÑÒÈÒÓÒ ÔÈÇÈÊÈ ÌÈÊÐÎÑÒÐÓÊÒÓÐ ã. Íèæíèé Íîâãîðîä 4 ã.

Подробнее

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТЧЁТ по лабораторной работе 80

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТЧЁТ по лабораторной работе 80 Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 80 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШАГА НАРЕЗКИ ЛАЗЕРНОГО ДИСКА Выполнил студент группы

Подробнее

в точку с потенциалом j 2 силы электростатического поля совершают над зарядом работу A= q j -j. (3)

в точку с потенциалом j 2 силы электростатического поля совершают над зарядом работу A= q j -j. (3) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 - Изучение электростатического поля с помощью проводящей бумаги. Цель работы. Экспериментальное определение формы эквипотенциальных поверхностей в моделях плоского и цилиндрического

Подробнее

СВЯЗЬПРИБОР ОПЦИЯ «MTDR» Рефлектометр для металлических кабелей РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРЬ

СВЯЗЬПРИБОР ОПЦИЯ «MTDR» Рефлектометр для металлических кабелей РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРЬ СВЯЗЬПРИБОР ОПЦИЯ «MTDR» Рефлектометр для металлических кабелей РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРЬ ОГЛАВЛЕНИЕ НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ... 3 ХАРАКТЕРИСТИКИ... 4 ПРИНЦИП РАБОТЫ... 4 ВКЛЮЧЕНИЕ

Подробнее

Работа сила тока i = dq / dt, текущего через катушку (t - время), и напряжение на ней U L

Работа сила тока i = dq / dt, текущего через катушку (t - время), и напряжение на ней U L Работа 07 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ПАРАЛЛЕЛЬНОМ LC-КОНТУРЕ Задача Для параллельного LC колебательного контура измерить и вычислить следующие величины: ) логарифмический декремент затухания, добротность

Подробнее

Дифракция Френеля на круглом отверстии

Дифракция Френеля на круглом отверстии Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д.Ушинского Лаборатория оптики В.К. Мухин Лабораторная работа 6 Дифракция Френеля на круглом отверстии Ярославль 013 Оглавление Литература:...

Подробнее

Лабораторная работа 2.22 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО LC-КОНТУРА Ю.И.Туснов

Лабораторная работа 2.22 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО LC-КОНТУРА Ю.И.Туснов Лабораторная работа 2.22 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО LC-КОНТУРА Ю.И.Туснов Цель работы: изучение электромагнитных колебаний в LCконтуре и определение характеристик контура.

Подробнее

4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии

4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии Содержание 4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии Содержание 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ... 4-1 4.1. ЦЕЛИ РАБОТЫ... 4-2 4.2. ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ... 4-2 4.3. СОДЕРЖАНИЕ

Подробнее

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТЧЁТ по лабораторной работе 95

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТЧЁТ по лабораторной работе 95 Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 95 ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО

Подробнее

Лабораторная работа ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. БИПРИЗМА ФРЕНЕЛЯ.

Лабораторная работа ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. БИПРИЗМА ФРЕНЕЛЯ. Лабораторная работа ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. БИПРИЗМА ФРЕНЕЛЯ. Цель работы: изучить интерференцию света на примере опыта с бипризмой Френеля, определить преломляющий угол бипризмы по отклонению луча лазера

Подробнее

1 6 ГЛОССАРИЙ. Словарь основных терминов и понятий дисциплины

1 6 ГЛОССАРИЙ. Словарь основных терминов и понятий дисциплины 1 6 ГЛОССАРИЙ Словарь основных терминов и понятий дисциплины Система КОМПАС-3D система для моделирования изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство.

Подробнее

ТЕСТЕР СОСТОЯНИЯ ЦЕПИ МОДЕЛЬ 620

ТЕСТЕР СОСТОЯНИЯ ЦЕПИ МОДЕЛЬ 620 ТЕСТЕР СОСТОЯНИЯ ЦЕПИ МОДЕЛЬ 620 СОДЕРЖАНИЕ 1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ 2. РАБОТА А. ТЕСТИРОВАНИЕ БАТАРЕИ В. ПЕРЕДАЧА ТОНА ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЖИЛ С. ТЕСТИРОВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИИ ТОНА D. ТЕСТИРОВАНИЕ

Подробнее

Основным узлом любого осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянный баллон, дно которого покрыто сложным

Основным узлом любого осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянный баллон, дно которого покрыто сложным Тема: «Электронно-лучевые осциллографы» План: 1. Общие сведения. 2. Структурная схема осциллографа. 3. Устройство электроннолучевой трубки. 4. Виды разверток. 5. Каналы управления лучом их основные параметры.

Подробнее

Исследование поверхности наноматериалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии

Исследование поверхности наноматериалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.Ю. Годымчук, Э.C. Двилис УДК 620.18(075.8)

Подробнее

Программное обеспечение ScanView

Программное обеспечение ScanView Программное обеспечение ScanView Руководство пользователя Санкт-Петербург 2015 info@oktanta-ndt.ru СОДЕРЖАНИЕ 1. ВНЕШНИЙ ВИД ПРОГРАММЫ... 3 1.1 Изменение размера и положения окна с отображением измеряемой

Подробнее

Исследование поверхности материалов методом сканирующей атомно - силовой микроскопии.

Исследование поверхности материалов методом сканирующей атомно - силовой микроскопии. Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского УДК 621.921.34 Д.А. Усанов, Р.К. Яфаров Усанов Д.А., Яфаров Р.К. Исследование поверхности материалов методом сканирующей атомно - силовой

Подробнее

Определение скорости звука в различных средах с помощью стоячих волн.

Определение скорости звука в различных средах с помощью стоячих волн. Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Кафедра общей физики Лаборатория механики Лабораторная работа 15. Определение скорости звука в различных средах с помощью стоячих

Подробнее

РАБОТА 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

РАБОТА 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА РАБОТА 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА Цель работы: изучение движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; определение удельного заряда электрона. Введение На заряженную частицу,

Подробнее

7 Программа [МОДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ] 7.1 Назначение программы. 7.2 Области применения. ЗТМС

7 Программа [МОДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ] 7.1 Назначение программы. 7.2 Области применения. ЗТМС 7 Программа [МОДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ] 7.1 Назначение программы Программа модального анализа предназначена для анализа импульсных сигналов и переходных характеристик. Программа позволяет определять собственные

Подробнее

Министерство образования и науки Российской Федерации. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра физики

Министерство образования и науки Российской Федерации. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра физики Министерство образования и науки Российской Федерации Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра физики ПРИМЕНЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАМЕТРА

Подробнее

Работа. 5. Знакомство с операциями твердотельного моделирования: операция по сечениям.

Работа. 5. Знакомство с операциями твердотельного моделирования: операция по сечениям. Работа. 5. Знакомство с операциями твердотельного моделирования: операция по сечениям. Цель работы: Изучение операции По сечениям для создания трехмерной твердотельной модели. Построение конуса. Построение

Подробнее

МГТУ им. Н.Э. Баумана

МГТУ им. Н.Э. Баумана МГТУ им. Н.Э. Баумана 1 Л.И. Баландина, Т.В. Бородина, Ю.В. Герасимов, Н.В. Герасимов, М.Ю. Докукин ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ. ВЗАИМНАЯ ИНДУКЦИЯ Методические указания к лабораторной работе Э-1Б по курсу

Подробнее

Иноземцев В.А. Демонстрационный эксперимент с колебательным контуром

Иноземцев В.А. Демонстрационный эксперимент с колебательным контуром Опубликовано в вестнике Брянского государственного университета 4, 2008. Иноземцев В.А. Демонстрационный эксперимент с колебательным контуром В настоящей работе приводятся краткие описания демонстраций

Подробнее

Лабораторная работа 1.5K ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА. С.В. Соломатин

Лабораторная работа 1.5K ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА. С.В. Соломатин Лабораторная работа.5k ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА. С.В. Соломатин Цель работы: изучение закона сохранения импульса. Задание: измерив угловые скорости вращения системы при различных положениях

Подробнее

4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии

4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии Содержание 4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии Содержание 4. АРТЕФАКТЫ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ...4-1 4.1. ЦЕЛИ РАБОТЫ...4-2 4.2. ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ...4-2 4.3. СОДЕРЖАНИЕ

Подробнее

s qi E nds =. (4) ε Левая часть выражения (4) представляет собой поток вектора напряженности через произвольную замкнутую поверхность. E n o проекция

s qi E nds =. (4) ε Левая часть выражения (4) представляет собой поток вектора напряженности через произвольную замкнутую поверхность. E n o проекция ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 0 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цель и содержание работы Целью работы является изучение электростатического поля. Содержание работы состоит в построении эквипотенциалей двумерных

Подробнее

Паспорт ВТ-201. ) в микронах не превышает величины: Δ осн. = ±(0,03X + 1,0), мкм,

Паспорт ВТ-201. ) в микронах не превышает величины: Δ осн. = ±(0,03X + 1,0), мкм, Паспорт ВТ-201 ВВЕДЕНИЕ Настоящий паспорт содержит техническое описание и инструкцию по эксплуатации вихретокового измерителя толщины покрытий ВТ-201 и предназначен для его изучения и правильной эксплуатации.

Подробнее

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ОПТИКЕ. ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД. Верхотуров А.О., Еремеева А.А.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ОПТИКЕ. ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД. Верхотуров А.О., Еремеева А.А. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ОПТИКЕ. ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД Верхотуров А.О., Еремеева А.А. Современная оптика, сильно изменившаяся после появления лазеров

Подробнее

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. Физический факультет. Кафедра общей физики

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. Физический факультет. Кафедра общей физики Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Физический факультет Кафедра общей физики Л а б о р а т о р н ы й п р а к т и к у м п о о б щ е й ф и з и к е (электричество и магнетизм) В.И.Козлов,

Подробнее

МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ. Уменьшение влияния температурного дрейфа в сканирующих зондовых микроскопах

МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ. Уменьшение влияния температурного дрейфа в сканирующих зондовых микроскопах МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ УДК 004.312.44 Уменьшение влияния температурного дрейфа в сканирующих зондовых микроскопах В.А.Быков, Е.В.Кузнецов ЗАО «Нанотехнология МДТ» (г. Москва) Е.С.Пьянков Московский

Подробнее

Интеграция зондовой и оптической микроскопии и спектроскопии, АСМ Раман СБОМ TERS. Первая полностью автоматизированная система АСМ

Интеграция зондовой и оптической микроскопии и спектроскопии, АСМ Раман СБОМ TERS. Первая полностью автоматизированная система АСМ Интеграция зондовой и оптической микроскопии и спектроскопии, АСМ Раман СБОМ TERS Первая полностью автоматизированная система АСМ Поверхностный потенциал Раман Первый полностью автоматизированный комплекс,

Подробнее

Лабораторная работа 1.85 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА. Е.В. Жданова

Лабораторная работа 1.85 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА. Е.В. Жданова Лабораторная работа.85 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА. Е.В. Жданова Цель работы: изучить закономерности движения физического маятника и с помощью оборотного маятника

Подробнее

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО РАЗДЕЛУ "ЭЛЕКТРИЧЕСТВО" ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 20 ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО РАЗДЕЛУ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 20 ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО РАЗДЕЛУ "ЭЛЕКТРИЧЕСТВО" ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 20 ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Цель работы освоение методов измерения параметров электрических

Подробнее

а потенциал пропорционален потенциальной энергии W p этого заряда в данной точке W p

а потенциал пропорционален потенциальной энергии W p этого заряда в данной точке W p РАБОТА 28 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цель работы: изучение законов электростатики и экспериментальное исследование электростатического поля в простейших случаях. Электростатическое поле может быть

Подробнее

Лабораторная работа 2.15 ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (ЗАКОН ФАРАДЕЯ) И.И. Логачев

Лабораторная работа 2.15 ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (ЗАКОН ФАРАДЕЯ) И.И. Логачев Лабораторная работа 2.15 ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (ЗАКОН ФАРАДЕЯ) И.И. Логачев Цель работы: ознакомиться с содержанием закона электромагнитной индукции (закон Фарадея) на примере магнита, свободно

Подробнее

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» кафедра физики ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ (магнитный поток, самоиндукция, индуктивность) Лабораторная

Подробнее

Лабораторная работа 1 ИЗМЕРЕНИЕ ПРЯМЫХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ КОНТАКТОВ

Лабораторная работа 1 ИЗМЕРЕНИЕ ПРЯМЫХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ КОНТАКТОВ Лабораторная работа 1 ИЗМЕРЕНИЕ ПРЯМЫХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ КОНТАКТОВ Цель работы: ознакомление с методами расчета и измерения прямых вольтамперных характеристик выпрямляющих контактов

Подробнее

Лабораторная работа 6. Исследование дифракции на полуплоскости. Теория

Лабораторная работа 6. Исследование дифракции на полуплоскости. Теория Лабораторная работа 6 Исследование дифракции на полуплоскости Теория Плоская световая волна падает нормально на непрозрачную полуплоскость (рис.1). Рис.1 Для точки P, лежащей на экране на расстоянии b

Подробнее